科学视点

生物物理所等在高活性硫铁矿纳米酶及其自级联催化抗肿瘤研究中获进展

  纳米酶是一类自身蕴含酶学特性的纳米材料,它同天然酶一样,能够在温和条件下催化酶的底物,呈现出与天然酶相同的酶促反应动力学和反应机制,并且可以作为天然酶的替代物用于检测疾病。近年来,学界发现纳米酶蕴含的氧化还原酶活性可以调节细胞中活性氧,如催化肿瘤部位的H2O2产生羟基自由基,从而引起肿瘤细胞的凋亡。然而,由于肿瘤部位H2O2浓度有限,且纳米酶与底物H2O2的亲和力较低,产生的羟基自由基通常不足以有效地治疗肿瘤。纳米酶的肿瘤治疗应用目前面临以下两个问题:一是如何提升纳米酶与底物H2O2的亲和力;二是如何提高肿瘤细胞中H2O2的浓度。

  近期,ACS Nano在线发表了中国科学院院士、中科院生物物理研究所/中科院纳米酶工程实验室研究员阎锡蕴团队的最新研究进展。研究人员针对上述问题,设计出一种新型纳米酶——硫铁矿(FeS2)纳米酶。研究人员发现,这种纳米酶结合H2O2底物的亲和力极高,催化H2O2的效率(kcat/KM)比传统Fe3O4纳米酶高4144倍;比天然辣根过氧化物酶高3086倍。研究人员使用第一性原理计算方法探究其原因,发现与传统的Fe3O4纳米酶相比,硫铁矿(FeS2)纳米酶与底物H2O2相互作用时配位结合的共价键更短,而且表面含有很多沟壑状结构,使其与底物的结合能力更强,因此能够催化肿瘤部位有限的H2O2,产生大量的羟基自由基,引起肿瘤细胞的凋亡。

  研究发现,硫铁矿纳米酶不仅对H2O2具有很高的亲和力, 而且还能够自身产生H2O2。这是由于硫铁矿纳米酶具有谷胱甘肽氧化酶的活性,可以氧化细胞中的还原型谷胱甘肽(GSH)生成H2O2,生成的H2O2又可作为过氧化物酶的底物。因此,硫铁矿纳米酶蕴含的两种类酶效应——谷胱甘肽氧化酶和过氧化物酶,构成自级联反应,能够持续产生羟基自由基,引起更多肿瘤细胞的凋亡。此外,谷胱甘肽氧化酶活性还会引起GSH的消耗,而GSH是膜脂修复酶——谷胱甘肽过氧化物酶4的辅因子,它的耗竭会导致后者的失活,使细胞中的脂质过氧化物不能被有效清除,引起细胞的铁死亡。

  硫铁矿纳米酶同时引起肿瘤细胞凋亡和铁死亡的特性,使其在含有KRAS突变、凋亡抗性的耐药肿瘤细胞中仍表现出高效的肿瘤治疗效果。此外,研究人员还研究了硫铁矿纳米酶的生物安全性,结果表明,它的细胞杀伤效果具有肿瘤特异性,这主要是由于肿瘤细胞比正常细胞代谢更旺盛,产生更多的H2O2,使纳米酶催化产生更多的羟基自由基;肿瘤细胞需要更多GSH以维持氧化还原平衡,因此,对GSH耗竭更敏感;肿瘤细胞的快速生长需要更多的铁离子,因此,更易发生铁死亡。硫铁矿纳米酶具有良好的生物降解性,肿瘤特异性杀伤效果和生物降解性为它的体内应用提供了安全性保障。

  高活性的硫铁矿纳米酶克服了传统过氧化物纳米酶对H2O2亲和力低的问题,能够催化肿瘤部位有限的H2O2产生大量的羟基自由基。硫铁矿纳米酶的新活性——谷胱甘肽氧化酶活性的发现,不仅能为其过氧化物酶活性的发挥提供底物H2O2,而且能够催化氧化谷胱甘肽,引起细胞铁死亡,从而实现肿瘤的凋亡-铁死亡协同治疗。重要的是,硫铁矿纳米酶无须其他帮助,单一材料即可实现高效、安全的肿瘤治疗效果,这表明它具有临床转化潜力。

  该工作由生物物理所、扬州大学和深圳市第二人民医院合作完成。阎锡蕴,深圳市第二人民医院教授聂国辉,生物物理所研究员高利增和范克龙为论文的通讯作者;生物物理所博士生孟祥芹和扬州大学博士李丹丹为论文的共同第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院创新交叉团队和中科院青年创新促进会等的资助。


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