王铁、陈旭Chem：细胞内的“扫地机器人”，主动清除活性氧

活性氧（ROS）是体内一类氧的单电子还原产物，包括还原产物超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）、羟基自由基（•OH）等。在生物有机体中，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。然而，大多数现有的纳米清除剂的共同缺点是不能运动，使得它们不能在细胞中的不同位置主动清除ROS，因此限制了其清除效率。

一种理想的ROS清除剂除了具有高效清除活性，同时也需要具备低生物毒性。为了提高ROS清除效率，大多数报道中，主要是通过增加清除剂的用量来提高清除效率。然而，纳米材料对细胞的毒性来源于材料本身，增加剂量的同时会影响细胞活力。因此，在低剂量下实现高效ROS的清除成为巨大的挑战。近日，中国科学院化学研究所的王铁研究员（点击查看介绍）和北京化工大学的陈旭教授（点击查看介绍）联合报道了一种新的策略，通过在细胞中引入可移动的中空纳米粒子以主动去除细胞内的ROS，实现了纳米清除剂在低剂量下对ROS的高效清除。以负载有氯化血红素的介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-MSNs）作为模型，以细胞在氧化应激下内源性产生的大量ROS为“燃料”，以氯化血红素催化分解ROS产生的化学能为动力来源，hemin-MSNs就像是细胞内的“扫地机器人”一样，可以在运动过程中实现对ROS的高效清除（图1）。

图1 可移动的纳米粒子（hemin-MSNs）作为一种高效的ROS清除剂。

为了探究壁厚对其运动和清除效率的影响，文中制备了三种类型的hemin-MSNs，分别是负载氯化血红素的实心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）并研究了它们的运动行为。纳米粒子的平均速度和扩散系数随着壁厚的减小而增加，hemin-NMSNs的平均运动速度比hemin-SMSNs的平均速度高3.5倍（图2）。

图2. Hemin-MSNs的表征和运动行为。图片来源：Chem

Hemin催化ROS是一个放热反应，作者认为纳米粒子的动力来源于纳米颗粒和溶剂的界面上局部温度分布不均匀而产生的不对称压力（图3）。

图3. Hemin-MSNs运动的机制。图片来源：Chem

从hemin-MSNs在细胞外ROS和细胞内ROS清除性能的研究上，均可以看出具有增强扩散的hemin-NMSNs表现出更高的ROS清除性能，优于hemin-SMSNs或hemin-TMSNs。纳米粒子在细胞内的运动轨迹上进一步证实了hemin-MSNs在细胞发生氧化应激时呈现无序运动，并且hemin-NMSNs比hemin-SMSNs的运动范围更大，运动速度更快。

图4. Hemin-MSNs的ROS清除活性。图片来源：Chem

这种随机运动的活性氧清除剂可以在低剂量下实现高效的ROS清除，效率明显高于医用小分子hemin，减轻了与高剂量hemin潜在毒性相关的安全性问题。活体实验中同样印证了这种中空纳米粒子优异的抗氧化性能。

图5. Hemin和Hemin-NMSNs的ROS清除活性。图片来源：Chem

鉴于此概念验证的启发，作者还评估了其他中空结构用于抑制ROS产生和保护细胞免受氧化损伤的性能，证明了该策略具有普适性。

图6. 空心纳米粒子清除ROS的通用性。图片来源：Chem

综上，作者提出了一种自我驱动的ROS清除系统，并验证了可移动的空心纳米粒子在细胞和小鼠模型中的优异的ROS清除性能。文中关于通过调节可移动纳米颗粒的平均速度来调节ROS清除效率的实验结果，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。

主动清除活性氧的细胞内“扫地机器人”。图片来源：王铁 & 陈旭团队

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Movable hollow nanoparticles as reactive oxygen scavengers

Meiling Lian, Zhenjie Xue, Xuezhi Qiao, Cong Liu, Shuo Zhang, Xiao Li, Chuanhui Huang, Qian Song, Wensheng Yang, Xu Chen, Tie Wang

Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.05.023

导师介绍

王铁

https://www.x-mol.com/university/faculty/15549

陈旭

https://www.x-mol.com/university/faculty/8732

（本稿件来自Chem）

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