In een recent rapport, Yufeng Liu en een team van interdisciplinaire onderzoekers in China ontwikkelden een geïntegreerde nanozyme-cascade om overmatige reactieve zuurstofsoorten (ROS; zuurstofvrije radicalen) te elimineren. Het nanozyme bootste superoxide-dismutase (een groep enzymen) na en nam een ​​op mangaan (Mn) gebaseerd metaal-organisch raamwerk (MOF) op om zuurstofradicalen om te zetten in waterstofperoxide (H ₂ O ₂ ). Met behulp van in-lab en in vivo experimenten, het team toonde het ROS-wegvangende potentieel van geïntegreerde cascade-nanozymen. Als proof-of-concept, ze verlichtten twee vormen van inflammatoire darmaandoening (IBD) - colitis ulcerosa en de ziekte van Crohn met behulp van cascade-nanozymen als effectieve behandelingen. De studie leverde een nieuwe methode op om enzymachtige cascadesystemen te construeren en illustreerde de belofte van hun efficiënte therapie om IBD in vivo te behandelen. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Tijdens cascade katalytische reacties die optreden in levende organismen, meerdere enzymen worden gecombineerd in subcellulaire compartimenten voor nauwkeurige signaaltransductie en effectief metabolisme. Dergelijke beperkte cascadereacties zijn voordelig in vergelijking met conventionele meerstapsreacties vanwege verminderde diffusiebarrières en verhoogde lokale concentraties van tussenproducten voor een betere atoomeconomie en reacties in totaal. Wetenschappers hebben aanzienlijke inspanningen geleverd om dergelijke cascadesystemen op steigers na te bootsen, maar hun hoge kosten en lage stabiliteit hebben beperkte brede praktische toepassingen. Als resultaat, onderzoekers hebben enzymnabootsers onderzocht om cascadereacties in het laboratorium te begrijpen en te construeren. In dit werk, Liu al. gedetailleerd een op nanozym gebaseerd cascadereactiesysteem met een hoge activiteit op basis van één component en hun rol aangetoond tijdens de in vivo therapie van reactieve zuurstofspecies (ROS)-geassocieerde inflammatoire darmziekte (IBD).

Ontwerp, synthese en karakterisering van het enzymscaffold

Het team ontwierp en synthetiseerde een geïntegreerde superoxide dismutase (SOD) en catalase (CAT) mimetische cascade nanozyme en noemde het Pt@PCN222-Mn. Om de steiger te bouwen, ze introduceerden een SOD-achtige groep van mangaan (Mn) (III) porfyrine en een CAT-achtig platina-nanodeeltje in een op nanoschaal gebaseerd zirkonium (Zr)-gebaseerd metaal-organisch raamwerk (MOF) genaamd PCN222. Het geïntegreerde construct (Pt@PCN222-Mn) vertoonde verbeterde ROS-scavenging-activiteit om muizen te beschermen tegen ROS-gerelateerde IBD, vooralsnog een ongeneeslijke chronische ziekte, en daardoor het potentieel van cascade-nanozymen voor in vivo biomedische toepassingen te verbreden.

Tijdens de experimenten, Liu et al. bevestigde de succesvolle synthese van de voorlopige op mangaan gebaseerde constructies met behulp van nucleaire magnetische resonantie, Fourier-transformatie infrarood spectroscopie en ultraviolet zichtbare spectroscopische metingen. Het team synthetiseerde de component met een MOF op nanoschaal en bevestigde de vorming ervan met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en scanning-elektronenmicroscopie (SEM). De wetenschappers ontwikkelden vervolgens drie cascade-nanozymen en noemden ze Pt@PCN222-Mn-1, Pt@PCN222-Mn-3 en Pt@PCN222-Mn-5, respectievelijk. Van deze, Pt@PCN222-Mn-5 had een groter oppervlak in vergelijking met andere tot nu toe onderzochte anti-ROS-nanozymen.

Onderzoek naar de katalytische activiteit van de cascade nanozymen

Opvangen van zuurstofradicalen ( ^• O ₂ ^- ) is de eerste stap van de anti-ROS-cascadereactie, daarom onderzocht het team de katalytische activiteit van de synthetische constructies om hun vermogen te controleren om op dezelfde manier zuurstofradicalen te elimineren. Het werk benadrukte de sleutelrol van mangaan in porfyrine om superoxide dismutase (SOD)-achtige activiteiten van de verschillende enzymconstructen na te bootsen, waarbij Pt@PCN222-Mn-5-constructen de hoogste SOD-achtige activiteit vertoonden onder de enzymnabootsers. Het team bevestigde de resultaten met behulp van elektronenparamagnetische resonantie (EPR) spectroscopie.

Als een tweede cruciale stap in de ROS-wegvangende cascade in biologische omgevingen, het CAT-enzym (catalase) katalyseerde de ontleding van waterstofperoxide (H ₂ O ₂ ) in water en zuurstof. Liu et al. volgde daarom de CAT-achtige activiteiten van de nanozymen door zuurstof te volgen die werd gegenereerd door ontbindend waterstofperoxide. Zoals eerder, Pt@PCN222-Mn-5 vertoonde de hoogste CAT-achtige activiteit onder MOF-gebaseerde enzymnabootsers. Op basis van de resultaten, Liu et al. bevestigde dat de SOD-achtige activiteit het gevolg is van het mangaangebonden deel van het enzymconstruct, terwijl integrale platina-nanodeeltjes voornamelijk verantwoordelijk waren voor de CAT-achtige activiteit.

Focus-enzym Pt@PCN222-Mn-5 en in vivo anti-inflammatoire therapie

Om de activiteit van de cascade nanozyme Pt@PCN222-Mn-5 volledig te begrijpen, het team onderzocht de synergetische SOD-achtige en CAT-achtige enzymatische activiteit en observeerde uitgesproken synergetische effecten voor de laatste. Het team koos het nanozym voor verder onderzoek en testte de functionaliteit met een cellijn tijdens cytotoxiciteitsstudies. Bij een concentratie lager dan 80 µg/ml, het nanozyme vertoonde geen enkele cytotoxiciteit en vertoonde een uitstekend scanpotentieel voor reactieve zuurstofspecies.

Op basis van de experimentele resultaten, Liu et al. uitgevoerde in vivo therapieën voor de behandeling van colitis ulcerosa (UC) en de ziekte van Crohn (CD) in muismodellen van de ziekte. Aangezien UC een vorm van inflammatoire darmaandoening is die doorgaans gepaard gaat met overgeproduceerde reactieve zuurstofsoorten, de wetenschappers testten de therapeutische effecten van Pt@PCN222-Mn-5 samen met bestaande medicatie voor de behandeling van IBD. Het team diende de behandeling via intraperitoneale injectie aan elke muis toe en observeerde succesvolle therapeutische effecten van Pt@PCN222-Mn-5 om de UC-ziekte bij muizen te verlichten. Het team optimaliseerde de doses van het cascade-nanozym met behulp van verschillende behandelingsgroepen en vond het focus-enzym dat van belang was het gunstigst. Toen ze op dezelfde manier CD verkenden, een ander type IBD met behulp van een ziekte-geïnduceerd muismodel, de behandelingsstrategie duidde op een grotere werkzaamheid voor cascade-nanozymen in vergelijking met traditionele medicijnen met kleine moleculen die worden gebruikt bij IBD-behandeling.

Op deze manier, Yufeng Liu en collega's ontwikkelden een geïntegreerd nanozym om cascadereacties te katalyseren en reactieve zuurstofsoorten (ROS) te elimineren. Het geïntegreerde nanozyme had twee ruimtelijk gescheiden actieve plaatsen om superoxide dismutase (SOD) en catalase (CAT) na te bootsen. Met behulp van in-lab-experimenten toonden ze de uitstekende ROS-wegvangende activiteit van het cascade-nanozym, hun uitstekende biocompatibiliteit en goede dispergeerbaarheid in water. Het team heeft een inflammatoir diermodel opgesteld om de anti-ROS-capaciteit van het cascade-nanozym in een biologisch organisme te testen en hun superieure therapeutische potentieel te bepalen voor zowel colitis ulcerosa (UC) als de ziekte van Crohn (CD) van inflammatoire darmaandoening (IBD). Het team optimaliseerde de concentratie van het nanozym om een ​​effectieve verlichting van IBD in diermodellen te bereiken. Het werk toonde uitstekende ROS-wegvangende activiteiten voor ontstekingsbehandeling en biedt een veelbelovende methode om nanozymen te construeren met meerdere actieve plaatsen voor verdere toepassingen in de biogeneeskunde.

© 2020 Wetenschap X Netwerk