本期分享的一篇文章是來自上海大學陳雨教授團隊在2021年4月份發(fā)表在《Nature Communication》的一項關(guān)于2D V2C MXenzyme 用于減輕ROS介導的炎癥和神經(jīng)退行性疾病的工作。文章題目：2D vanadium carbide MXenzyme to alleviate ROS-mediated inflammatory and neurodegenerative diseases，影響因子：14.919，文章地址：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22278-x.

一、背 景

1 活性氧在低濃度下對細胞功能調(diào)節(jié)具有重要作用，過量和失衡會導致氧化應(yīng)激，造成一系列的不可逆破壞，包括DNA損傷，脂質(zhì)體過氧化，蛋白質(zhì)變性等，進而引發(fā)動脈粥樣硬化、神經(jīng)退行性疾病、炎癥、衰老、血色素沉著癥，甚至癌癥。因此，為了緩解其有害影響，嚴格的ROS調(diào)控對于維持細胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。

2 體內(nèi)的天然抗氧化酶對于維持氧化還原穩(wěn)態(tài)具有重要的作用但是由于其獨特的化學組成(RNA/蛋白質(zhì))易受環(huán)境因素的影響導致酶活性喪失。為了解決這一問題，具有類酶活性的納米材料，統(tǒng)稱為納米酶因其易于制備、高穩(wěn)定性和可調(diào)的酶活力引起了研究人員越來越多的關(guān)注。目前報道過的有Fe/Cu/Carbon、Au/Pt/V-基納米酶等。其中文獻中報道的V-based納米酶大都只有一種酶活性，限制其體內(nèi)抗氧化中的實際應(yīng)用。

3 過渡金屬碳化物和/或氮化物(MXenes)，是一類廣泛用于儲能和生物醫(yī)學的優(yōu)越的二維(2D)材料，這歸因于它們的多功能組成、物理化學多樣性和可調(diào)制性，但是其在ROS介導的炎癥和神經(jīng)退行性疾病中的應(yīng)用仍有待進一步考查。

二、結(jié)果與討論

1、2D V2C MXene的合成和表征

該納米酶通過對V2AlC進行氫氟酸蝕刻而后經(jīng)氫氧化四丙基銨插層來合成的。FESEM圖中可知，初始V2AlC表現(xiàn)出緊密的層狀板態(tài)。經(jīng)過HF處理后，緊湊的層膨脹形成松散的手風琴形多層結(jié)構(gòu)，說明其成功剝落。EDX圖譜顯示出V2AlC含有均勻分布的V, Al, C元素，而V2C MXenes由于氫氟酸的蝕刻，導致Al元素選擇性去除，顯示出V, C, O, F元素圖譜。為了進一步證實具有少量層狀的六角晶格的V2C MXenes的成功合成，作者又通過TEM(SAED)/HRSTEM等來表征；

2、2D V2C MXenzyme的類酶活性以及活性氧去除能力

研究人員首先對2D V2C MXenzyme的多重酶活性進行評估，通過WST-1測定其SOD-like活性，利用對苯二甲酸/O2的生成量來測定其CAT活性，3, 3’, 5, 5’-四甲基聯(lián)苯胺來測定其過氧化物酶活性(POD)，利用NADPH的減少量來評估其谷胱甘肽過氧化物酶活性(GPx)，含巰基半胱氨酸/鹵族元素來測定其硫醇過氧化物酶活性/鹵過氧化物酶活性(TPx/HPO)，結(jié)果均表明該2D V2C MXenzyme具有優(yōu)異的多重抗氧化酶活性，優(yōu)于目前報道的如CuxO/Fe-N/C/PBs/N-MSNs等納米酶，具有廣譜活性氧清除能力。隨后通過與Trolox (TR)典型的抗氧化劑的抗氧化能力對比、UV誘導活性氧生成抑制以及羥基自由基去除實驗來進一步評估該V2C MXenzyme的活性氧清除能力，結(jié)果表明該V2C MXenzyme具有顯著的活性氧去除能力，且這種能力具有濃度依賴性。

3、V2C MXenzyme對體外細胞的氧化應(yīng)激保護作用

為了評估該納米酶對細胞的氧化應(yīng)激保護能力，研究人員首先驗證了該材料的細胞毒性，結(jié)果表明，該材料在高達200 mg/mL時，仍然沒有明顯的細胞毒性。L929和PC12細胞的攝取實驗則表明， V2C MXenes是通過內(nèi)吞途徑進入細胞。使用阿米洛利或制蟲抑素處理對RB標記的V2C MXenes的內(nèi)吞作用均有顯著的抑制作用，表明該材料在細胞中的攝取涉及小窩/脂質(zhì)介導的內(nèi)吞作用和微胞吞作用。進而利用V2C MXenzyme來干預(yù)UV/H2O2誘導L929和PC12細胞氧化應(yīng)激考察材料的保護效力，結(jié)果表明該納米酶可以有效減輕氧化應(yīng)激損傷，維持細胞活力。總之，V2C MXene酶的高效細胞內(nèi)攝取、顯著的ROS消除和細胞保護能力，使其成為一種有效的治療ROS相關(guān)疾病的人工抗氧化酶。

4、V2C MXenzyme對ROS介導細胞內(nèi)成分的保護作用

ROS熒光染色、死細胞/活細胞染色實驗也均有效證明對V2C Mxenes對UV/Fetonn-H2O2試劑誘導的損傷具有優(yōu)異活性氧清除能力。同時經(jīng)V2C MXene處理的細胞其凋亡相關(guān)表達蛋白Cleaved caspase-3的表達量，蛋白質(zhì)碳基化水平，細胞脂質(zhì)體過氧化和DNA損傷水平也得以明顯減少。

5、2D V2C MXenes體內(nèi)抗炎活性以及對MPTP誘導的帕金森疾病的神經(jīng)保護

進一步研究人員探究了納米酶在體內(nèi)的抗炎活性，其血液學、血清生化以及組織學均表明靜脈注射該材料不會明顯引起動物體內(nèi)的炎癥、水腫、肺纖維化、增生、壞死和其他異常現(xiàn)象，證實了體內(nèi)實驗的安全性。隨后作者使用PMA誘導小鼠耳朵生成急性局部刺激性皮炎，ROS熒光原位成像證明PMA誘導了活性氧的大量生成，而V2C MXene處理后的小鼠其熒光強度顯著降低了56.5%。同時相較于PMA處理組，V2C MXene組小鼠的皮膚炎癥明顯緩解。在LPS誘導的急性腳踝炎癥小鼠實驗也可以看到類似的現(xiàn)象，以上均表明V2C MXene的廣譜體內(nèi)抗炎能力。同時考慮到氧化應(yīng)激也與神經(jīng)再生性疾病相關(guān)，研究人員利用MPTP來誘導小鼠構(gòu)造帕金森小鼠模型并探究V2C MXene 對帕金森疾病治療效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與MPTP誘導的小鼠，其紋狀體酪氨酸羥化酶的水平顯著降低，而經(jīng)V2C MXenes處理后的小鼠，其酪氨酸羥化酶水平(TH)明顯更高，小膠質(zhì)細胞活化的生物學指標離子鈣結(jié)合接頭分子1 (IBA-1) 明顯下調(diào)，脂質(zhì)體過氧化標志分子4-羥基壬烯酸(4-HNE) 的表達水平減少，這些都進一步證明材料通過抑制MPTP誘導的氧化應(yīng)激來保護小鼠免受神經(jīng)毒性。

6、V2C MXene多酶活性的機制分析

最后研究人員系統(tǒng)研究V2C MXene的多酶活性的可能機制，其中

SOD活性：作為中間電子載體，VIV可以與超氧化物反應(yīng)并生成氫過氧化氧釩(VOOH)，其中電子從VIV轉(zhuǎn)移到O2??。然后，VOOH的質(zhì)子化伴隨著H2O2的釋放和VV再生。V2C MXene的氧化電位值，有效證明了V2C MXene具有催化O2??歧化的能力。

CAT活性：當反應(yīng)混合物中存在H2O2時，VV如 OVO+可被氧化形成C1單過氧化釩物質(zhì) OV(O2)+。此外，形成的OV(O2)+與另一個H2O2分子的相互作用導致產(chǎn)生C2雙過氧化釩物質(zhì) HOOV(O)22+。VV和H2O2之間生成VIV和.OOH的反應(yīng)在液氮溫度 (-196℃) 下的電子自旋共振 (ESR) 光譜測量中得到證實。隨后是OV2+補充，可變C3 m-過氧橋OVOOV(O2)+ 由于內(nèi)部氧化斷裂生成OVO+和C4氧-過氧自由基?OV(O2)2+。最后，分子氧(O2)通過.OV(O2)2+的歧化反應(yīng)從反應(yīng)體系中釋放出來。

GPx活性：由于V2C MXenzyme為H2O2還原伴隨GSH氧化提供反應(yīng)位點。隨后，作為質(zhì)子載體的GSH將部分帶負電的氧(δ-)質(zhì)子化，同時GS- 作為親核試劑攻擊帶正電的氧 (δ+)，生成不穩(wěn)定的磺酸鹽結(jié)合中間體G2(GSOH)，通過水解從而分解G3谷胱甘肽次磺酸(GSOH)和G4二羥基中間體。值得注意的是，該途徑的GSOH可能是HOBr從釩依賴性鹵代過氧化物酶中V-OBr中間體的遷移產(chǎn)生的。

POD活性機制：V原子應(yīng)該充當路易斯酸位點，但用于橋接氧原子的電子鍵對表現(xiàn)為路易斯堿位點，其中，發(fā)生氧的親核加成反應(yīng)。隨后，V2C MXene應(yīng)該與H2O2反應(yīng)形成中間體V-過氧 (P1) 物，然后TMB底物通過親核攻擊與V-過氧復(fù)合物結(jié)合形成P2，從而允許TMB的氧化反應(yīng)形成TMB*+物。由于H2O2是一種雙電子氧化劑，因此V2C MXene再生需要另一個TMB分子來誘導TMBox形成。

三、結(jié) 論

本工作主要報道了一種具有SOD/CAT/POD/GPx/TPx/HPD類酶活性的V2C MXenes, 該納米酶可以模擬細胞內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)對抗 ROS 介導的關(guān)鍵氧化損傷（例如，蛋白質(zhì)羰基化、脂質(zhì)過氧化和DNA損傷），從而將過渡態(tài)金屬碳/氮化物從傳統(tǒng)的化學催化和儲能領(lǐng)域擴展為催化生物醫(yī)學用途。體內(nèi)體外實驗均有效證實V2C MXenzyme 不僅顯示出滿意的生物相容性同時可以通過催化反應(yīng)去除活性氧來保護細胞成分抵抗氧化應(yīng)激損傷。綜上所述，該MXenzyme是一類可用于多種炎癥和神經(jīng)退行性疾病治療的特定應(yīng)用的有價值的工具。