Chem 报道: 可移动空心纳米粒子作为活性氧清除剂

【背景介绍】

在生物有机体中，包含过氧化氢（H₂O₂）、羟基自由基（·OH）等的活性氧（ROS）处于正常水平时，在细胞信号传导、病原体防御和体内平衡起着关键的作用。然而，大量的ROS会通过引起脂质过氧化、蛋白质变性和DNA损伤而对细胞产生不利影响。这些不良反应可能导致炎症、癌症等许多人类疾病。基于这些原因，目前已经研究了多种纳米材料用于清除体内ROS，进而维持细胞内氧化还原平衡和保护身体免受氧化损伤。但是，大多数纳米清除剂不具有可移动性，只能消除清除剂附近的ROS，而不能主动去清处其他位置的ROS，降低了其清除效率。目前主要是通过增加清除剂的用量来提高清除效率，但同时会增大对细胞的毒性。可见增加纳米清除剂的剂量并不是最有效去除ROS的策略。因此，需要设计在需要的地方精确释放ROS清除剂以提高药物的利用率并最大限度地降低毒副作用。

【成果简介】

近日，中科院北化所的王铁研究员和北京化工大学的陈旭教授（共同通讯作者）联合报道了利用负载氯化血红素的介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-MSNs）作为可移动的纳米粒子模型，用来清除细胞在氧化应激下内源性产生的ROS。其中，ROS是被氯化血红素催化分解，其产生的化学能为hemin-MSNs在细胞内移动提供了动力。文中制备了三种类型的hemin-MSNs，分别是负载血红素的固体介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-SMSNs）、负载氯化血红素的厚壁介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-TMSNs）和负载氯化血红素的窄壁介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-NMSNs），通过系统的评估这些纳米材料的运动性能及其体外和体内抗氧化行为之间的关系。其中，Hemin-NMSNs在体外和体内均有优异的抗氧化效率。可移动的ROS清除剂降低了与高剂量血红素潜在毒性相关的安全性问题。该策略既可以扩展用于ROS清除剂的各种中空纳米颗粒的开发中，又可以用于调节ROS的清除效率和基于ROS的治疗剂的广泛应用中。研究成果以题为“Movable Hollow Nanoparticles as Reactive Oxygen Scavengers”发表在国际著名期刊Chem上。
本文亮点：

1、可移动的中空纳米颗粒可以有效的去除细胞内ROS；

2、空心NPs的清除能力大于固体NPs和游离氯化血红素；

3、可移动的中空纳米复合物减轻了高剂量药物的毒性；

4、该策略允许设计各种空心纳米ROS清除剂，具有通用性。

【图文解读】

图一、Hemin-MSNs的表征和运动行为

（A-C）TEM图显示hemin-SMSNs的平均直径为约630 nm、hemin-TMSNs的壳厚度为150 nm和hemin-NMSNs的壳厚度为70 nm；

（D）具有代表性的跟踪轨迹表明，不同壳厚的Hemin-MSNs的扩散增强；

（E）在30 mM H₂O₂存在下，hemin-MSNs的平均速度和扩散系数。

图二、Hemin-MSNs运动的机制

（A）hemin-SMSNs和hemin-NMSNs与H₂O₂瞬时反应的热通量图；

（B）hemin-MSNs的运动机制示意图；

（C）Hemin-MSNs的跟踪轨迹和扩散系数与402 nm激光功率的函数关系示意图。

图三、Hemin-MSNs的ROS清除活性
（A）用H₂O₂对氯化血红蛋白-MSNs进行稳态动力学测定；

（B-C）氯化物-MSNs对超氧自由基和羟基自由基的清除效率；

（D）各种ROS清除剂处理后的HUVEC细胞的荧光显微图；

（E）细胞内hemin-MSNs的可逆轨迹。

图四、Hemin和Hemin-NMSNs的ROS清除活性
（A-B）hemin和hemin-NMSNs处理后，HUVEC细胞的荧光显微图；

（C）各种处理后，HUVEC细胞的荧光显微照片中DCFH-DA的相应荧光强度，以及与hemin和hemin-NMSNs孵育后的细胞存活率；

（D）用不同材料处理后，具有PMA诱导的小鼠体内荧光图像。

图五、空心纳米粒子清除ROS的通用性
（A-H）（A）170 nm hemin-SMSNs、（B）170 nm hemin-NMSNs、（C）hemin-SCSs、（D）hemin-HCSs、（E）hemin-MnO₂、（F）Pd纳米颗粒、（G）AuPd纳米粒子和（H）Pt纳米粒子的TEM和作用于细胞后的荧光显微图。

【小结】

综上所述，作者提出了一种自我驱动的ROS清除系统，并验证了其在细胞和小鼠模型中具有优异的ROS清除性能。这些空心结构的平均速度比实心结构的平均速度高3.5倍。空心结构局部加热导致显着的非定向自主运动。此外，作者还评估了其他中空结构用于清除ROS和保护细胞免受氧化损伤的性能。总之，文中关于通过调节移动纳米颗粒的平均速度来调节ROS去除效率的实验结果，为设计基于纳米材料的具有高催化活性的仿酶催化剂打开了大门，未来可以作为与氧化应激相关的临床病症治疗剂。

文献链接：Movable Hollow Nanoparticles as Reactive Oxygen Scavengers. (Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.05.023)

本文由CQR编译。

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