刘俊秋教授团队Advanced Functional Materials:具有多酶级联活性的双铁原子纳米酶可保护大脑免受缺血再灌注损伤

近日，刘俊秋教授团队在多酶级联活性的双铁原子纳米酶保护大脑免受缺血再灌注损伤方面取得新进展，相关研究工作在国际期刊Advanced Functional Materials（IF:18.808）发表学术论文“Se-Containing MOF Coated Dual-Fe-Atom Nanozymes With Multi-Enzyme Cascade Activities Protect Against Cerebral Ischemic Reperfusion Injury”。

原子级单分散双原子纳米酶不仅具有活性中心均一、原子利用率高等优点，而且与单原子纳米酶相比，双原子组分在催化活性方面表现出惊人的协同效应。此类材料在构建具有多酶级联能力的双原子纳米酶来保护脑组织免受损伤方面虽然极具前景，但目前仍然是一个巨大的挑战。

在脑缺血再灌注期间，活性氧（ROS）的产生会爆炸性提高，从而可能对脑组织造成的继发性损伤。有鉴于此，杭州师范大学刘俊秋教授团队与吉林大学展开合作，通过将双Fe原子纳米酶（Fe2NC）封装在含硒MOF（Se-MOF）壳层中，构建了多酶级联抗氧化系统（Fe2NC@Se纳米酶）。与单原子Fe纳米酶（Fe1NC）相比，研究所设计的双Fe原子纳米酶具有更高的类超氧化物歧化酶（SOD）、类过氧化氢酶（CAT）甚至类氧化酶（OXD）活性。此外，Se-MOF壳层不仅可以模拟谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）的作用，还能够明显提高Fe2NC纳米酶的稳定性和生物相容性。密度泛函理论计算表明，Fe2NC的协同效应是活性提高的主要原因。体内外实验结果则显示，该多功能抗氧化Fe2NC@Se纳米粒子可通过有效清除细胞内ROS和潜在抑制ASK1/JNK凋亡信号通路，以在脑缺血再灌注损伤后抵抗氧化损伤和抑制神经细胞凋亡。

图1 Fe₂NC@Se的合成路线及其在缺血性卒中再灌注损伤中的应用

一、Fe₂NC@Se纳米酶

如图所示，为了构建模拟天然抗氧化系统的Fe₂NC@Se，作者首先通过“前体预选”湿化学策略制备Fe₂NC纳米酶。预先选择金属前驱体可确保双核Fe₂位点的形成，而利用含有丰富的锚定位点的（ZIF-8）衍生氮掺杂碳材料则可以进一步稳定这些双核位点。因此，研究表征显示，所制备的Fe₂NC纳米酶比单原子Fe纳米酶具有更高的类SOD、CAT和OXD活性。DFT计算表明，Fe₂团簇的优异催化活性归因于协同效应、简化的重排结构和较低的关键过渡态能量差。随后，作者将含硒的二咪唑作为有机配体（其中硒是GPx模拟物的活性中心）、Zn²⁺作为配位金属，在Fe₂NC纳米酶上形成MOF基壳层，可凭借多孔结构增强纳米酶的稳定性和生物相容性。

二、保护脑组织免受损伤

体外实验显示，Fe₂NC@Se纳米酶可通过清除过量的活性氧、改善氧化应激诱导损伤和抑制细胞凋亡发挥优异的保护作用。进一步在活体中研究纳米酶系统对脑缺血再灌注损伤（CIRI）的治疗作用显示，纳米酶通过发挥抗氧化作用和抑制氧化应激触发的神经细胞凋亡（实验表征表明可能通过抑制ASK1/JNK信号通路），可显著保护大脑中动脉栓塞（MCAO）大鼠使其梗死体积减小、神经功能缺损改善（图2）。

图2 Fe₂NC@Se纳米酶缓解OGD/R诱导的细胞凋亡及其可能存在的分子机制研究

课题组博士研究生田瑞桢为论文第一作者，杭师大材化学院青年教师孙鸿程博士、刘俊秋教授，吉林大学白福全教授、杨弋教授为论文通讯作者，杭州师范大学为第一完成单位。该研究工作得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金及杭师大科研启动经费等项目的联合资助。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202204025

人物简介：

   刘俊秋，教授，博士生导师，国家基金委杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。主要从事仿生化学、生物超分子组装及智能纳米载药系统等方面的研究工作。先后主持或参与了国家863、973项目、基金委重点项目、科技部重点研发课题等一系列重大重点项目，在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名期刊已发表SCI研究论文200余篇，主编英文专著1部，参编10余部。兼任Journal of Biomaterials and Nanobitechnology,General Chemistry, Polymer Sciences, 高等学校化学学报等杂志编委。担任中国生物物理学会纳米酶分会副会长、中国化学会高级会员、中国化学会化学生物学专业委员会委员、中国生物材料学会生物医用高分子材料分会委员等职务。

仿生功能材料创新团队，由国家杰青/教育部长江学者刘俊秋教授领衔，现已组建有8名科研人员的科研攻关团队，其中国家杰青/教育部长江学者1名、浙江省杰青1名，浙江省高校领军人才高层次拔尖人才1名，杭州市西湖学者2名。团队主要围绕仿生功能材料、光学传感、多维组装、生物医用材料及相关领域开展研究工作，是一个融合了高分子材料、有机化学、生物学、光学等多学科交叉的研究团队。具体研究方向包括酶仿生设计与应用、人工光捕获系统与半人工光合系统开发、仿生构筑离子通道系统、药物控释与疾病治疗、纳米生物检测与治疗、抗肿瘤免疫治疗等。