具有生物活性的NIR-II金團(tuán)簇實現(xiàn)三維成像和抑制急性炎癥

本文要點：本研究講述了一種通過原子工程方法開發(fā)的Au22團(tuán)簇，該團(tuán)簇具有強(qiáng)烈的近紅外-二區(qū)（NIR-II）熒光，并展示了其強(qiáng)大的酶樣活性。相比于Au22團(tuán)簇，本研究開發(fā)的Au21Cu1團(tuán)簇在抗氧化、過氧化氫酶樣和超氧化物歧化酶樣活性方面分別高出18倍、90倍和3倍，且熒光損失可以忽略不計。這些團(tuán)簇還可以用于監(jiān)測順鉑誘導(dǎo)的腎損傷，并在NIR-II光片顯微鏡下實現(xiàn)三維可視化。此外，這些團(tuán)簇在順鉑處理的小鼠模型中可以抑制氧化應(yīng)激和炎癥，尤其在腎臟和大腦中。

 

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圖1. Au22團(tuán)簇的性質(zhì)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用示意圖

 

如圖2所示，Au22(SG)18團(tuán)簇的配體是谷胱甘肽，由一個近似橢圓形的Au8核心、兩個三聚體和兩個四聚體構(gòu)成，是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)模型。透射電子顯微鏡（TEM）圖像和尺寸分布直方圖顯示，Au22團(tuán)簇的核心尺寸約為1.5nm，表明其具有極小的尺寸。動態(tài)光散射（DLS）測定表明，在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中，Au22的平均動力學(xué)尺寸為2.01nm，略大于核心尺寸，這是由于外部配體的伸展造成的。電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS）顯示了一個明顯的質(zhì)荷比（m/z）峰位于約1968.44，對應(yīng)于[Au22(SG)18-5H]5−的計算分子量，這表明已成功獲得了精確到原子水平的Au22團(tuán)簇。Au22團(tuán)簇的特征吸收峰位于515nm，發(fā)射中心位于925nm，通過配體和金核之間的電荷轉(zhuǎn)移，其尾部寬度延伸至1300nm。Au22團(tuán)簇的量子產(chǎn)率約為0.16%，略低于Au25(GSH)18但高于其他材料。Au22團(tuán)簇在808nm連續(xù)激發(fā)下表現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性，并且在去離子水和PBS中的熒光穩(wěn)定性也很好，可以保持一個星期。此外，Au22團(tuán)簇在300至900nm的范圍內(nèi)也表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，一個星期內(nèi)沒有明顯的信號損失。這些結(jié)果表明，Au22團(tuán)簇具有精確到原子水平的定義、極小的尺寸、優(yōu)異的水溶性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，非常適合進(jìn)一步應(yīng)用。同時，也使用了原子工程方法來改性Au22團(tuán)簇，引入了不同的金屬元素。

圖2. 金團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)表征

 

Au21Cu1團(tuán)簇具有單銅原子活性位點，表現(xiàn)出較高的催化活性，催化過程如圖3A所示。吸附劑分子和自由基的吸附強(qiáng)度是催化反應(yīng)的先決條件。利用密度泛函理論（DFT）測試了Au22和Au21Cu1對不同物種的吸附能（Eads）以研究其對反應(yīng)性氧和氮物質(zhì)的吸附能力。同時，還通過2,2'-聯(lián)苯二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）方法評估了金團(tuán)簇的抗氧化特性以確定其生物催化酶樣活性。實驗證明，Au21Cu1團(tuán)簇的抗氧化活性比Au22團(tuán)簇高18倍，顯示出出色的抗氧化活性。此外，Au21Cu1團(tuán)簇表現(xiàn)出對H2O2的高催化降解能力，具有類過氧化氫酶樣催化活性。進(jìn)一步驗證顯示，Au21Cu1團(tuán)簇在ONOO−的自由基清除能力方面也表現(xiàn)出較高的效率，相對于純的Au22和其他金屬摻雜團(tuán)簇，具有更高的清除能力。因此，Au21Cu1團(tuán)簇在Au22團(tuán)簇中引入了銅單原子活性位點，從而提升了多種獨特的酶樣催化活性。

圖3. 金團(tuán)簇的酶樣活性

 

圖4的DFT計算研究了Au21Cu1團(tuán)簇的電子特性，發(fā)現(xiàn)Cu摻雜在團(tuán)簇的活性位點上后團(tuán)簇具有更高的過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性。Cu與Au原子的相似性保證了Cu-S鍵的結(jié)合非常緊密，Cu在催化過程中容易與外部電子交換并形成鍵。Cu摻雜引入了以前未被識別的能級，表明了其在催化活性中的作用。此外，Au21Cu1團(tuán)簇顯示出更高的催化活性和抗氧化活性，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力支持。

圖4. 金團(tuán)簇的DFT計算研究

 

圖5表明Au22團(tuán)簇在近紅外-II光譜下能實現(xiàn)腎臟損傷的3D可視化，并能在注射后20到120分鐘內(nèi)區(qū)分和監(jiān)測急性腎損傷（AKI）。這歸功于其高靈敏度、高特異性和高熒光強(qiáng)度。因此，Au22團(tuán)簇顯示出用于臨床診斷和監(jiān)測AKI相關(guān)疾病的巨大潛力。

圖5. NIR-II光譜下的光片顯微鏡成像以及金團(tuán)簇的實時監(jiān)測過程

 

圖6描述了在體外實驗中對Au22和Au21Cu1團(tuán)簇進(jìn)行的生物活性測試。結(jié)果顯示，這兩種團(tuán)簇對人腎小管細(xì)胞和小鼠微膠質(zhì)細(xì)胞幾乎沒有毒性，并且可以有效降低氧化應(yīng)激水平。實驗還模擬了腎損傷對神經(jīng)系統(tǒng)的影響，并發(fā)現(xiàn)金團(tuán)簇可以減輕神經(jīng)炎癥，通過調(diào)節(jié)TLR4表達(dá)來實現(xiàn)這一效果。這些實驗結(jié)果表明金團(tuán)簇在治療腎損傷和相關(guān)疾病方面具有良好的生物活性和潛力。

圖6. 使用金團(tuán)簇體外治療順鉑誘導(dǎo)的急性腎損傷

 

為了揭示Au22團(tuán)簇的生物活性，圖7選擇了順鉑誘導(dǎo)的急性腎損傷（AKI）作為實驗?zāi)Ｐ汀�AKI表現(xiàn)為腎功能下降，引發(fā)缺血性損傷，伴隨嚴(yán)重的氧化應(yīng)激和炎癥，導(dǎo)致高死亡率以及對其他器官如大腦的并發(fā)癥。實驗結(jié)果顯示，順鉑誘導(dǎo)的AKI在一段時間內(nèi)導(dǎo)致嚴(yán)重的腎損傷，而在金團(tuán)簇干預(yù)后，腎功能得到顯著恢復(fù)。腎功能指標(biāo)如肌酐和尿素氮的水平顯示出明顯的改善，與此同時，蛋白尿的情況也呈現(xiàn)出類似的趨勢。組織病理學(xué)染色進(jìn)一步證實了順鉑引起的嚴(yán)重腎毒性，而金團(tuán)簇的干預(yù)能夠明顯改善腎組織的病理學(xué)表現(xiàn)。氧化應(yīng)激和炎癥水平的指標(biāo)也顯示，金團(tuán)簇對抗氧化應(yīng)激和炎癥具有顯著的保護(hù)作用，有助于腎臟的局部保護(hù)。這些實驗證明，Au22團(tuán)簇具有對腎臟的保護(hù)作用，通過清除氧化應(yīng)激物質(zhì)和減少炎癥反應(yīng)，促進(jìn)了腎功能的恢復(fù)。
 

圖7. 金團(tuán)簇治療前后腎臟內(nèi)的氧化應(yīng)激和炎癥水平

 

圖8講述了腎臟疾病可能導(dǎo)致多器官功能障礙，特別是與大腦之間存在緊密聯(lián)系。順鉑誘導(dǎo)的急性腎損傷而產(chǎn)生的有害分子可對大腦產(chǎn)生影響，消耗掉大腦內(nèi)源性的抗氧化物質(zhì)。Au21Cu1團(tuán)簇可以降低大腦中的有害分子含量，恢復(fù)抗氧化酶的水平，顯示出對活性氧的清除能力。對大腦中神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的研究表明，在急性腎損傷后，神經(jīng)元數(shù)量減少，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞被激活。Au22和Au21Cu1團(tuán)簇的干預(yù)能夠恢復(fù)大部分這些神經(jīng)細(xì)胞。同時，團(tuán)簇的干預(yù)也可以緩解由急性腎損傷引起的神經(jīng)炎癥反應(yīng)。這些結(jié)果進(jìn)一步證實了Au22團(tuán)簇作為酶模擬劑對氧化應(yīng)激和炎癥相關(guān)疾病具有顯著的影響。

圖8. 金團(tuán)簇治療前后大腦中的氧化應(yīng)激和炎癥水平

 

此外還討論了急性腎損傷（AKI）對大腦的影響，提出了可能的機(jī)制，包括外周炎癥、氧化應(yīng)激、以及與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的色氨酸-酮恩酸代謝通路失調(diào)。圖9中實驗證實了順鉑誘導(dǎo)的AKI會導(dǎo)致炎癥因子和活性氧增加，引發(fā)炎癥、氧化應(yīng)激、血管損傷和細(xì)胞凋亡。此外，順鉑也會激活TLR4，進(jìn)一步促成AKI的發(fā)病和發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，Au22團(tuán)簇通過抑制膠質(zhì)細(xì)胞活化、清除活性氧并減輕炎癥，保護(hù)了腦部。作者還提出了代謝性小分子可能在腎腦相互作用中發(fā)揮作用的假設(shè)，證明了它們在AKI引起的色氨酸-犬尿氨酸代謝通路中的調(diào)節(jié)作用。

圖9. 金團(tuán)簇在急性腎損傷中的腎腦相互作用

 

總的來說，本研究報告了一種原子工程方法，在原子精度的Au22團(tuán)簇中創(chuàng)建了一個銅單原子活性位點，具有極高的酶模擬活性且不會失去熒光。相比純的Au22團(tuán)簇，Au21Cu1團(tuán)簇通過引入銅單原子活性位點，其抗氧化活性提高了18倍。此外，Au21Cu1團(tuán)簇的CAT樣活性和SOD樣活性分別比Au22團(tuán)簇高90倍和3倍。密度泛函理論計算表明，Au21Cu1團(tuán)簇由于失去的電子態(tài)具有強(qiáng)大的催化活性。實時熒光成像顯示金團(tuán)簇可以實現(xiàn)早期疾病監(jiān)測行為。生物實驗證明，Au22團(tuán)簇可以抑制受損腎臟和大腦中的氧化應(yīng)激和炎癥水平。最后，超小金團(tuán)簇可以通過腎臟清除快速排泄，顯示出在高劑量下無毒性�？偟膩碚f，Au22團(tuán)簇可以是一個生物安全、高效且多功能的平臺，通過原子工程開發(fā)具有NIR-II熒光和酶催化活性的多功能試劑。此外，Au22團(tuán)簇在實時成像和早期干預(yù)急性腎損傷等氧化應(yīng)激和炎癥相關(guān)疾病方面顯示出巨大潛力，并有望進(jìn)行臨床應(yīng)用。

 

參考文獻(xiàn)

Huizhen Ma, et al. Bioactive NIR-II gold clusters for three-dimensional imaging and acute inflammation inhibition. Science Advances. 2023

 

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