AM（IF=32）| 四川大学叶玲/程冲开发出Ru催化中心的生物催化剂，用于活性氧消除和干细胞保护

探索高效的活性氧（reactive oxygen species, ROS）清除材料对于抗多种疾病的氧化应激反应，特别是干细胞生物疗法具有重要意义。

2022年9月5日，四川大学叶玲及程冲共同通讯在Advanced Materials 在线发表题为“Catalase-Mimetic Artificial Biocatalysts with Ru Catalytic Centers for ROS Elimination and Stem-Cell Protection”的研究论文，该研究通过模仿天然过氧化氢酶的Fe-N活性中心，设计了一种具有Ru催化中心能够用于干细胞保护的ROS清除人工生物催化剂。

该研究揭示了不同Ru位点作为ROS清除人工生物催化剂的活性优点和结构多样性。得益于金属电子结构和多位点的协同作用，具有Ru簇中心的人工生物催化剂表现出优异的ROS清除活性，其中每个Ru原子分解过氧化氢的催化效率比孤立的单原子Ru都要高得多，该研究报道的催化剂比天然抗氧化剂和最近报道的ROS清除生物催化剂的效率更高。系统性的干细胞保护研究表明，类过氧化氢酶人工生物催化剂可以在高活性氧水平条件下为人间充质干细胞的存活、粘附和分化功能提供有效的拯救能力。总之，该研究报道的具有 Ru 簇中心的人工生物催化剂将为基于干细胞治疗和其他ROS相关疾病中高性能 ROS 清除材料设计提供新途径。

生命系统中过量产生的活性氧（ROS），包括过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子（O2-）、羟基自由基（·OH）和单线态氧（1O2），会导致DNA损伤、蛋白质变性、脂质过氧化和其他生物分子失活，导致有害的细胞功能障碍、组织再生障碍，甚至难治性慢性疾病，如神经创伤、心肌梗死、类风湿性关节炎、骨缺损和糖尿病足。为了平衡氧化应激，生命系统依赖于两种类型的ROS清除剂，i） 抗氧化物质（维生素、类胡萝卜素和类黄酮）；ii）天然抗氧化酶，如过氧化氢酶（catalase, CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GPx）。虽然多种抗氧化剂分子研究使体外清除ROS成为可能，但许多报道的抗氧化剂分子与天然酶相比治疗效率较低。如今，为了对抗各种疾病中的氧化应激，特别是基于干细胞的生物疗法，天然抗氧化酶因其高度的特异性和催化活性而被广泛用作清除ROS的有效生物催化剂。尽管天然酶在清除ROS方面效率很高，但天然酶也存在着许多固有的缺点，如环境敏感性、稳定性差、规模化生产难。因此，为了填补对抗氧化剂材料急剧增加的需求与天然酶不可避免的内在局限性之间的差距，设计人工生物催化剂来模拟天然酶的ROS清除活性尤为重要。作为一种重要的天然抗氧化性金属酶，CAT由与卟啉大环配位的Fe-N活性中心组成。然而，任意制备的Fe-N配位结构通常几乎没有或很低的CAT活性；这种活性差异可能归因于缺乏与CAT一样的三维空间构型或配位结构导致。据报道，通过调节金属物种、电子态和配位方式可以为不同的化学反应/生化反应开发高效的催化剂，这就就使一系列含有过渡金属的酶产生。

这些过渡金属包括Fe、Co、Mn等，其中Ru是铁族元素中的一员，表现出低电负性和高金属电子结构。与Fe物种相比，Ru中心显示出更多的d电子（有利于催化过程中键的形成）、充足的未占据轨道（有利于活性中间体配位）和更高的氧化还原稳定性（有利于吸附和解离动力学）。因此，设计Ru-N配位结构可能为模拟CAT的人工催化剂提高催化消除ROS活性提供一条新途径。然而，还没有关于该主题的实例报道，也没有关于Ru-N配位结构或电子态的详细探索。

Ru-CN人工生物催化剂的设计与结构表征（图源自Advanced Materials ）该论文研究了Ru催化中心的内在仿CAT催化活性和结构多样性，报道了一种创新的概念，即在氮化碳（CN）骨架上设计具有孤立Ru位或协同Ru簇的Ru-N配位人工生物催化剂，系统地揭示了不同Ru位清除ROS的活性优点和结构多样性。实验研究和理论计算证实，合成的含Ru团簇的人工生物催化剂具有优异的ROS消除活性，比天然抗氧化剂和更早报道的ROS清除生物催化剂更有效。此外，系统的干细胞研究表明，含Ru簇中心的人工生物催化剂可以在高ROS水平下为人骨髓间充质干细胞（HMSCs）的存活、黏附和分化功能（成骨和成脂）提供有效的保护能力。系统评价还表明，Ru-CN生物催化剂在短期接触中表现出良好的生物安全性。总之，该研究报道的具有 Ru 簇中心的人工生物催化剂将为基于干细胞治疗和其他ROS相关疾病中高性能 ROS 清除材料设计提供新途径。

参考消息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206208

转自：“iNature”微信公众号

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