中科院长春应化所曲晓刚研究员ACS Nano: 二维金属有机骨架/酶杂化纳米催化剂作为良性、自激活级联试剂用于体内伤口愈合

【引言】

金属有机骨架（MOF）作为一种新兴的多孔材料已经获得引起了广泛的研究兴趣，其具有高度有序的孔结构、大的表面积以及可调节的结构和功能。最近，通过引入铜或铁作为金属节点或使用铁-卟啉结构作为有机配体MOF已被证明展现出良好的过氧化物酶样活性。此外，通过将二维MOF纳米片与Au纳米颗粒结合也成功构建出有潜力的仿生催化剂，其中Au纳米颗粒具有葡萄糖氧化酶类似活性而二维 MOF纳米片具有过氧化物酶样活性。尽管具有过氧化物酶样活性的MOF已经获得了广泛的研究，目前该领域研究还主要集中在体外催化和生物传感上，很少应用于生物医学领域，尤其是体内。其中一个主要的原因是最佳的酶样活性需要pH值为3-4的强酸性环境，这限制了它们在生物系统（通常需要中性pH环境）中的实际应用。此外，引入有毒和相对高浓度的H₂O₂会对正常组织带来损害。

【成果简介】

近日，中科院长春应化所曲晓刚研究员课题组选择超薄二维MOF纳米片作为过氧化物酶模拟物的模型以物理吸附葡萄糖氧化酶（GOx）以制造杂化纳米催化剂作为良性、自激活级联试剂，其中GOx可以将无毒葡萄糖连续转化为丰富的葡萄糖酸和H₂O₂，避免直接使用相对高浓度和有毒的H₂O₂，并尽量减少有害的副作用。产生的葡萄糖酸可以将pH值从7降低至3-4，从而显著激活二维 MOF纳米片的过氧化物酶样活性。而且体外和体内结果表明，设计的良性、自激活级联试剂具有强大的抗菌作用和可忽略的生物毒性。该成果以题为" Two-Dimensional Metal−Organic Framework/Enzyme Hybrid Nanocatalyst as a Benign and Self-Activated Cascade Reagent for in Vivo Wound Healing "发表在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文导读】

图1 2D MOF/GOx杂化纳米催化剂作为良性、自激活级联试剂的设计和抗菌机理

(a) 2D MOF/GOx杂化纳米催化剂的组成；

(b) 用于小鼠伤口愈合的2D MOF/GOx急救包扎绷带；

(c) 2D MOF/GOx杂化纳米催化剂作为良性、自激活级联试剂的抗菌机理。

图2 2D MOF纳米片及2D MOF/GOx的表征

(a) 2D MOF纳米片的TEM图像；

(b) 2D MOF纳米片的AFM图像和厚度分布；

(c) 典型2D MOF纳米片的暗场TEM图像以及Cu K-edge、Fe K-edge、C K-edge、 N K-edge和O K-edge信号对应的TEM元素mapping图像；

(d) 2D MOF/GOx的TEM图像；

(e) 2D MOF纳米片的水分散图像；

(f) 2D MOF/GOx的水分散图像。

图3 PBS缓冲液中不同反应体系的表征

(a) 在PBS缓冲液中孵化4小时后，在TMB存在下不同反应体系的紫外-可见光谱和照片；

(b) 在PBS缓冲液中孵化4小时后，在甲基红存在下不同反应体系的照片；

(c) 反应12小时后，PBS缓冲液中不同反应体系的荧光光谱；

(d) 在PBS缓冲液（pH = 7.4, 0.5mM）或PBS缓冲液（pH = 7.4, 25mM）中由2D MOF/GOx催化的TMB反应溶液每30分钟在652 nm处的时间依赖的吸光度变化；

(e) 在PBS缓冲液（pH = 7.4, 0.5mM）中的上述反应体系的照片；

(f) 加入0.001%甲基红后，在PBS缓冲液（pH = 7.4, 0.5mM）中的上述反应体系的照片。

图4 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的存活率比较

(a) 大肠杆菌的生存力分析；

(b) 金黄色葡萄球菌的生存力分析；

(c) 大肠杆菌的SEM图像；

(d) 金黄色葡萄球菌的SEM图像；

(e) 用不同浓度的H₂O₂或葡萄糖+ 2D MOF/GOx处理的大肠杆菌的存活率比较；

(f) 用不同浓度的H₂O₂或葡萄糖+ 2D MOF/GOx处理的金黄色葡萄球菌的存活率比较。

图5 金黄色葡萄球菌感染小鼠伤口及组织切片照片

(a) 不同时间下金黄色葡萄球菌感染小鼠伤口的照片；

(b) 从伤口组织获得的细菌菌落的照片；

(c) 对伤口中存活的细菌进行定量；

(d) 相应的H&E染色的伤口组织切片。

图6 2D MOF/GOx处理小鼠的表征

(a) 静脉注射2D MOF/GOx或作为对照的PBS时，健康小鼠的血液生化分析；

(b) 用2D MOF/GOx处理的小鼠的体重；

(c) 注射7天后，2D MOF/GOx处理的小鼠心脏、肝脏、脾脏、肺和肾等主要器官切片的H&E染色照片。

【小结】

本文中，作者开发了一种基于MOF的杂化纳米催化剂作为用于体内伤口愈合的良性和自激活级联试剂。研究发现，杂化纳米催化剂中的GOx可以有效地将葡萄糖转化为葡萄糖酸以自激活2D MOF纳米片的过氧化物酶活性，同时产生的H₂O₂可用于随后的2D MOF纳米片催化，从而增强•OH的产生效率和抗菌能力。该体系利用天然无毒和生物相容的葡萄糖连续产生H₂O₂，根本上避免了直接使用相对高浓度和毒性的H₂O₂，并尽量减少有害的副作用。更重要的是，体外和体内结果表明，这种良性和自激活级联试剂具有强大的抗菌作用和可忽略的生物毒性。该工作将促进MOF基纳米酶的研究及其在生物化学和生物医学领域的应用。

文献链接：Two-Dimensional Metal−Organic Framework/Enzyme Hybrid Nanocatalyst as a Benign and Self-Activated Cascade Reagent for in Vivo Wound Healing  (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b09501)

本文由biotech供稿，材料牛审核整理。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及内容合作可加编辑微信：cailiaorenkefu。