近日，南京大学现代工程与应用科学学院的研究者们在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了一篇题为“A Valence-Engineered Self-Cascading Antioxidant Nanozyme for the Therapy of Inflammatory Bowel Disease”的文章。
在这项研究中，作者使用尖晶石氧化物ZnMn2O4（其中Zn占据四面体位置，Mn占据八面体位置）作为模型，通过价态工程的策略来探究八面体位点的Mn对纳米酶多种抗氧化活性的影响。该论文第一作者为博士生王权，通讯作者为魏辉教授。
活性氧（Reactive oxygen species，ROS）参与许多生物现象，并在调节生物体的各种生理功能中发挥重要作用。然而ROS的过度产生会引发生物体内的氧化应激，并导致疾病的发生。生物体内产生的活性氧可被具有抗氧化功能的天然酶清除，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione Peroxidase，GPx）。纳米酶是有应用前景的酶替代物，然而具有单一类酶活性的纳米酶不足以在复杂的病理环境中有效清除过量的活性氧。目前，多种抗氧化纳米酶缺乏设计策略，导致大多数纳米酶的多种类酶活性无法同时取得最佳（负相关性）。因此，研究更有效的策略，设计同时具有多种抗氧化活性的纳米酶至关重要。
图1：锰尖晶石氧化物的价态工程策略设计自级联抗氧化纳米酶用于IBD的治疗。
ZM、Li-2、Li-4、Li-6和LM的多重抗氧化活性测定
清除超氧自由基是抗氧化级联反应的初始步骤。随着Li的加入，纳米酶的类SOD活性逐渐升高（图2a），与ZnMn2O4（简写为ZM）相比，LiMn2O4（简写为LM）的类SOD活性增加了近一倍。过氧化氢分解是抗氧化级联反应的第二步。纳米酶的类CAT和类GPx活性也有类似的活性趋势（图2b和2c）。初始模型材料ZM和低掺杂样品Li-2几乎没有显示出类CAT和类GPx活性（测试结果为阴性）。而当锂掺杂量足够时，纳米酶（尤其是LM）表现出明显的CAT样和GPx样活性。这些结果表明，锂掺杂策略是同时调节纳米酶多种活性的有效途径。此外作者还通过电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）实验来探究纳米酶清除超氧自由基、双氧水和羟自由基的能力。最终优化的材料LM都体现出了明显的活性和优势。基于上述SOD、CAT和GPx活性的研究，优化后的材料LM实现了自级联抗氧化活性，而原始材料ZM仅具有单一抗氧化活性（图2f）。
图2：ZM、Li-2、Li-4、Li-6和LM的抗氧化活性。ZM、Li-2、Li-4、Li-6和LM的(a) 类SOD，(b) 类CAT和(c) 类GPx活性；(d) •O2-和(e) H2O2的EPR图谱；(f) 调控前后抗氧化活性的比较。
由价态工程策略调节的多种抗氧化活性
为了揭示纳米酶多种抗氧化活性的关键因素，作者测量了材料的X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS），以研究纳米酶的表面性质。随着Li掺杂量的增加，Mn 2p（2p1/2和2p3/2）的峰位移向高能区，这表明共价性降低（图3a）。拟合峰的结果表明，Mn4+（红线）和Mn3+（蓝线）的含量发生了显著变化。Mn4+/Mn3+的摩尔比从初始ZM的0.56增加到最终LM的2.29。因此，Mn的平均价态从ZM的3.36增加到LM的3.70（图3b）。绘制多种抗氧化活性与Mn4+含量的关系图，体现出了显著的正相关性。当增加Mn4+的含量时，材料的所有抗氧化活性都得到了提高（图3c）。
图3：基于锰价态优化的抗氧化纳米酶。(a) ZM、Li-2、Li-4、Li-6和LM的Mn 2p，红色和蓝色线分别代表Mn4+和Mn3+的拟合峰；(b) ZM、Li-2、Li-4、Li-6和LM的Mn4+/Mn3+摩尔比和Mn的平均价态；(c) Mn4+含量与抗氧化活性之间的关系。
体内抗炎治疗
在进行体内实验之前，作者还进行了体外细胞实验。结果表明，LM和ZM都具有良好的生物相容性。与ZM相比，LM表现出更好的清除细胞内ROS的能力，进一步特异性探针揭示了LM分别对细胞内超氧自由基、羟自由基和双氧水的调节能力。
基于LM优异的多种抗氧化活性和良好的生物相容性，在DSS诱导的炎症性肠病（IBD）小鼠模型中研究了其治疗炎症类疾病的能力。采用ZM和治疗IBD的常用药物5-氨基水杨酸（5-ASA）作比较，图4a总结了整个实验过程。对结肠长度、体重变化、切片和炎症因子水平等结果的整体分析揭示了以下结论：(1) LM、ZM和5-ASA均体现出一定程度的治疗效果；(2) ZM和5-ASA的治疗效果相近；(3) LM表现出最优越的治疗效果,并体现出剂量优势。
图4：IBD治疗、组织切片和细胞因子分析。(a) 动物实验的整体过程；(b) 11天内每日体重增长；(c) 结肠图像；(d) 治疗前（第7天）和治疗后（第10天）小鼠体重的变化；(e) 结肠长度的统计数据；(f) 各实验组促炎因子TNF-α和(g) 抗炎因子IL-10的水平。
总结
通过价态工程调控策略，作者展示了一个少见的同时调节纳米酶多种抗氧化活性的案例。对于模型材料ZM，随着Li的加入，纳米酶的类SOD、CAT和GPx活性同时提高。这是多重抗氧化类酶活性之间正相关的第一个例子。此外，作者揭示了八面体位点上的Mn价态对纳米酶的多重抗氧化活性的影响。LM作为最终优化的纳米酶，在类SOD、CAT和GPx活性方面表现出最优异的性能，在细胞实验和动物实验上得以验证。这项工作不仅对开发具有多种抗氧化活性的纳米酶具有指导意义，而且证明了活性的增加和自级联设计可以减少治疗性纳米酶的剂量，这将拓宽纳米酶在生物医学应用中的潜力。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202201101
