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JACS - 可降解硫化锌生物正交纳米酶高效激活诊疗分子

科技 07-30 来源：纳米酶Nanozymes

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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2022年7月14日

*编辑：俞纪元

大家好！分享一篇最近发表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，题目为“Degradable ZnS-Supported Bioorthogonal Nanozymes with Enhanced Catalytic Activity for Intracellular Activation of Therapeutics”。美国麻省大学Vincent M. Rotello教授课题组和南京大学魏辉教授课题组合作，报道了一种负载钌小分子催化剂的硫化锌纳米粒子ZnS_NZ作为可降解生物正交纳米酶。ZnS_NZ降解引起表面巯基配体的释放，提高生物正交脱笼反应的催化决速步速率，从而实现活细胞内诊疗分子的高效激活。

Vincent M. Rotello教授课题组的研究兴趣为生物正交催化、药物运输、生物传感和抗菌等（https://elements.chem.umass.edu/rotellogroup）。魏辉教授课题组的研究兴趣为纳米酶的理性设计与生物医学应用（http://weilab.nju.edu.cn/）。

研究背景

生物正交化学能够在不影响细胞正常过程的前提下，进行非天然的化学反应。比如，过渡金属小分子催化剂可以在细胞内催化天然酶无法实现的化学反应，原位持续激活诊疗分子（成像分子和治疗药物）。然而，直接使用过渡金属催化剂面临诸多问题，包括水溶性差、稳定性差和生物相容性差等。过渡金属催化剂对血清蛋白十分敏感，这也限制了其生物医学应用。生物正交纳米酶是近年来提出的新概念，将过渡金属催化剂负载到纳米粒子表面，能提高其水溶性、稳定性和生物相容性，也避免了过渡金属催化剂与蛋白质的直接接触。但这些纳米酶的载体大多是不可降解的纳米材料，无法排出体外，从而引起长期毒性。另外，提高生物正交纳米酶的催化活性也是一项重大挑战，高活性纳米酶可以减少使用剂量，降低潜在的毒副作用。

设计思路

为了解决上述问题，本文作者在ZnS纳米粒子表面的单分子配体层中负载了钌催化剂，构建了可降解生物正交纳米酶ZnS_NZ，用于催化诊疗前体分子的脱笼反应，实现诊疗分子的激活（图1）。ZnS_NZ表面修饰有单层配体，一端是巯基而另一端是用于增强水溶性和细胞摄取的季胺基团，中间包含一段用于稳定催化剂的疏水碳链和一段亲水的聚乙二醇。ZnS_NZ的ZnS内核可以在细胞中逐渐降解，释放出来的表面配体带有巯基，可以作为亲核试剂，提高脱笼反应决速步的反应速率。作者仔细研究了ZnS_NZ的降解和催化增强机理，并应用于活细胞水平诊疗分子（罗丹明荧光染料和米托蒽醌）的高效激活。

图1.可降解ZnS_NZ的结构设计及其催化激活原理

数据介绍

作者首先合成了直径为15纳米的ZnS纳米粒子（ZnS_NP）和金纳米粒子（Au_NP），并对比了它们的降解能力。ZnS_NP的荧光发射光谱在五天后下降了约20%（图2a），而Au_NP的紫外可见吸收光光谱没有明显变化（图2b）。动态光散射结果表明，ZnS_NP水合粒径分布出现了更小粒径的峰（图2c），而Au_NP则没有明显变化（图2d）。为了进一步验证ZnS_NP的降解，作者用埃尔曼试剂（DTNB）检测ZnS_NP降解产生的巯基配体。紫外可见光吸收光谱数据证实了ZnS_NP在水溶液中降解并产生了巯基配体（图2e）。作者还用电喷雾电离-质谱（ESI-MS）验证了巯基配体的产生（参见补充材料）。这些结果表明，ZnS_NP具有很好的降解性能。

图2.ZnS_NP和Au_NP的降解性能对比

接下来，作者在ZnS_NP和Au_NP的表面分别负载金属钌催化剂，形成ZnS_NZ和Au_NZ。罗丹明荧光染料前体分子的脱笼反应结果表明，ZnS_NZ的催化活性比Au_NZ提高了约2.5倍（图3a）。ZnS_NZ比Au_NZ具有更高的最大反应速率和底物亲和能力（图3b-c）。在罗丹明荧光染料前体分子的脱笼反应中，乙烯基团从钌催化剂转移到亲核试剂的过程是整个脱笼反应的决速步，决定了脱笼反应的整体效率（图3d）。因此，反应体系中的亲核试剂对于提升反应速率具有重要作用。作者猜想，ZnS_NZ降解过程中释放的巯基配体有很强的亲核能力，可以作为亲核试剂，加速脱笼反应。ESI-MS的结果证实了这一猜想，荷质比462处的信号峰强度最强，这是来自乙烯基团转移到巯基配体后的产物，而荷质比421处的信号峰很弱，说明巯基配体大多数是与乙烯基团反应而非通过氧化反应形成二硫化合物（图3e）。

图3.ZnS_NZ和Au_NZ的催化活性表征和机理研究

在此基础上，作者将ZnS_NZ用于在活细胞内催化罗丹明荧光染料前体分子的脱笼反应。脱笼后的罗丹明分子有绿色的荧光信号。如图4a和4b的共聚焦荧光显微镜成像结果所示，ZnS_NZ组的细胞内荧光强度明显强于Au_NZ组，说明ZnS_NZ具有更高的催化活性，与水溶液中的活性表征结果一致。流式细胞术的表征结果也进一步证明了ZnS_NZ组的细胞内荧光强度明显强于Au_NZ组（图4c）。这些结果表明，ZnS_NZ能够在活细胞内高效催化脱笼反应。

图4.ZnS_NZ和Au_NZ在活细胞内催化罗丹明前体分子脱笼反应的表征

最后，作者将ZnS_NZ应用于活细胞内抗癌前药的激活。米托蒽醌前药（pro-Mit）的细胞毒性很弱，而通过脱笼反应去掉烯丙氧基羰基保护基后，则变成具有强细胞毒性的抗癌药物（图5a）。如图5b所示，得益于更高的脱笼反应催化活性，在相同剂量条件下，ZnS_NZ能比Au_NZ诱导更强的细胞毒性。因此，在实际应用中，更高催化活性的ZnS_NZ纳米酶所需剂量更少，可以降低其潜在的毒副作用，具有更好的应用前景。

图5.ZnS_NZ和Au_NZ应用于活细胞内抗癌前药的激活

总结

本文提出了一种可降解的ZnS基生物正交纳米酶ZnS_NZ，在ZnS表面配体单分子层中负载过渡金属钌催化剂，用于催化脱笼反应。ZnS_NZ具有很好的生物相容性和降解性能，降解后释放的巯基配体能作为脱笼反应的亲核试剂，显著提升催化反应速率。因此，ZnS_NZ兼具了高催化活性和高生物相容性以及可降解等优点。最后，作者将ZnS_NZ成功应用于活细胞内高效激活诊疗分子，未来有望进一步推广至其他生物医学应用领域。

本文的第一作者是美国麻省大学的张羡智和南京大学的林世超（现为厦门大学博士后）。

*文章信息

Xianzhi Zhang#, Shichao Lin#, Rui Huang, Aarohi Gupta, Stefano Fedeli, Roberto Cao-Milán, David C. Luther, Yuanchang Liu, Mingdi Jiang, Gengtan Li, Brayan Rondon, Hui Wei, and Vincent M. Rotello*，J. Am. Chem. Soc. 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c04571

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