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華南理工朱偉 Adv. Sci.:基于紅細(xì)胞和MOF-級(jí)聯(lián)酶的人工生物雜化體用于高尿酸血癥治療
2023-12-17  來源:高分子科技

  高尿酸血癥(hyperuricemia)是指由嘌呤代謝紊亂(或)尿酸排泄障礙所導(dǎo)致血尿酸增高,細(xì)胞外液尿酸鹽呈現(xiàn)超飽和的狀態(tài)。長期尿酸過高會(huì)引發(fā)痛風(fēng),增加心腦血管疾病、代謝綜合征及腎臟疾病病人的死亡率,同時(shí)血尿酸水平與動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、腦卒和糖尿病等的發(fā)生率呈正相關(guān)關(guān)系。目前治療或緩解高尿酸血癥的藥物較少,主要包括:1促進(jìn)尿酸排泄藥物通過干擾腎小管對(duì)尿酸的吸收而增加尿酸排泄,常見藥物包括苯溴馬隆、丙璜舒、磺吡酮等;2阻斷尿酸合成類藥物通過抑制黃嘌呤氧化酶的活性,阻斷尿酸的產(chǎn)生路徑,從而使嘌呤分解的產(chǎn)物以黃嘌呤和次嘌呤形式排出,具體藥物包括別嘌呤醇、非布索坦、托匹司他等。但上述藥物仍存在一定程度的副作用,包括藥物不良反應(yīng)和累積的肝臟毒性等。


  尿酸酶(UOX)是一種高效的氧化酶,其可以特異性催化尿酸(UA)轉(zhuǎn)化為水溶性更高且更易排出的尿囊素。目前基于UOX的治療策略是治療高尿酸血癥的有效方法。但是UOX具有許多固有的缺點(diǎn),如穩(wěn)定性差、直接施用易被體內(nèi)系統(tǒng)清除等。另外尿酸降解過程中有毒中間體(H2O2)的積累會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的毒副作用。目前人們探索出許多遞送尿酸酶的方案來克服上述限制(如PEG、脂質(zhì)體、聚兩性離子聚合物等),然而這些策略并不能保證外源性UOX在體內(nèi)持久而快速地發(fā)揮效能。


1. 基于血紅細(xì)胞和MOF-級(jí)聯(lián)酶(UOX-CAT)的人工生物雜化體用于治療高尿酸血癥的示意圖


  針對(duì)以上挑戰(zhàn),華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院朱偉教授團(tuán)隊(duì)基于納米粒子模塊化組裝的思想,開發(fā)出了全新的血紅細(xì)胞藥物載體用于高尿酸血癥的治療(圖1)。以功能納米顆粒作為構(gòu)筑基元,通過模塊化組裝方式將其可控組裝于血紅細(xì)胞表面形成全新裝甲紅細(xì)胞生物雜化體。除了通過納米材料模塊化組裝來增強(qiáng)紅細(xì)胞抵抗性,封裝在ZIF-8納米顆粒中的級(jí)聯(lián)酶(UOX-CAT)也可以快速且持久地降低血液尿酸水平。當(dāng)靜脈注射裝甲紅細(xì)胞生物雜化體后,血液中的尿酸小分子可以接觸到紅細(xì)胞表面,并在UOX-CAT級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)中進(jìn)行有效降解,而紅細(xì)胞的周圍高氧環(huán)境可以進(jìn)一步加速UA降解。同時(shí),受益于 ZIF-8 的封裝和對(duì)紅細(xì)胞的搭便車效應(yīng),封裝的UOX將避免體內(nèi)蛋白酶的快速降解和系統(tǒng)清除,從而有效保持其內(nèi)在活性,實(shí)現(xiàn)持久催化。


  提高外源酶的穩(wěn)定性對(duì)于其體內(nèi)應(yīng)用至關(guān)重要。因此,研究人員進(jìn)一步考察了pH、溫度、胰蛋白酶處理等幾種環(huán)境條件對(duì)酶活性的影響。結(jié)果表明,在測(cè)量的溫度范圍內(nèi),UCZ的殘留活性高于游離UOX,在70℃時(shí)其酶活性約為UOX的兩倍。此外,在廣泛的測(cè)試pH范圍內(nèi),UCZ的殘留活性也高于游離 UOX。胰蛋白酶處理后,UCZ 的活性下降緩慢,并在40分鐘內(nèi)保持在80%以上。上述結(jié)果表明,UOX封裝在ZIF-8框架后,其應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力的能力顯著增強(qiáng)(圖 2)。 


2. 血紅細(xì)胞和MOF-級(jí)聯(lián)酶的人工生物雜化體提升UOX的穩(wěn)定性


  紅細(xì)胞在人類生理活動(dòng)的氧氣運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的作用。通過在紅細(xì)胞表面組裝基于UCZ的外骨骼,尿素向尿囊素的轉(zhuǎn)化可以受益于紅細(xì)胞生物雜化體表面豐富的氧氣。實(shí)驗(yàn)表明該超組裝體(UCZR)保留有紅細(xì)胞固有的生理功能(圖 3)。研究發(fā)現(xiàn)UCZR擁有正常的載氧釋氧能力,其滲透脆性曲線與天然紅細(xì)胞也十分相似,甚至對(duì)低滲條件的抵抗略有增強(qiáng)。此外,對(duì)UCZR中的2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)和三磷酸腺苷(ATP)水平也進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其水平相較于天然紅細(xì)胞沒有顯著變化。 


3. 血紅細(xì)胞和MOF-級(jí)聯(lián)酶的人工生物雜化體保持有紅細(xì)胞原有結(jié)構(gòu)和功能


  紅細(xì)胞因其獨(dú)特的生物相容性和長循環(huán)時(shí)間而被廣泛用于體內(nèi)藥物遞送,并且憑借出色的可變形性能夠輕松通過比自身更窄的微血管。紅細(xì)胞的變形能力極大地影響其向各種組織和器官的運(yùn)輸。為此,利用原子力顯微鏡觀察納米顆粒組裝前后紅細(xì)胞形態(tài)和機(jī)械性能的變化(圖 4)。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)UCZR組的楊氏模量為14.04±2.86 MPa,略高于天然紅細(xì)胞的12.66±2.67 MPa。另外,由于納米顆粒外骨骼的存在,UCZR的細(xì)胞粘附力為13.89±0.22 nN,大于天然細(xì)胞的5.17±0.15 nN。對(duì)放大的1 μm 2 部分的楊氏模量的測(cè)試表明,負(fù)載有納米粒子的紅細(xì)胞的表面硬度增加。 


4. 血紅細(xì)胞和MOF-級(jí)聯(lián)酶的人工生物雜化體機(jī)械性能表征


  紅細(xì)胞搭便車效應(yīng)預(yù)計(jì)會(huì)延長UOX循環(huán)半衰期。根據(jù)雙室藥代動(dòng)力學(xué)模擬分析,UCZR的消除半衰期為49.7±4.9 h,比游離UOX的清除半衰期(14.2 ± 1.7 小時(shí))長了3倍以上。此外,為了研究相關(guān)器官內(nèi)的分布,收集了小鼠肝臟、脾臟、腎臟、心臟和肺進(jìn)行熒光分析。除了在兩個(gè)主要過濾器官(肝臟和脾臟)中發(fā)現(xiàn)的大部分熒光信號(hào)外,UCZR 在肺部也顯示出顯著的熒光信號(hào)(圖 5)。在體外驗(yàn)證了UCZR降解UA的能力后,研究人員建立了高尿酸血癥小鼠模型以進(jìn)一步檢驗(yàn)UCZR的體內(nèi)能力(圖 6)。結(jié)果表明,隨著時(shí)間的變化UCZR處理的小鼠的尿酸水平能在2小時(shí)內(nèi)迅速降至正常水平。之后根據(jù)血液生化和組織病理學(xué)綜合評(píng)估UCZR的體內(nèi)毒性。UCZR 治療組小鼠的所有檢測(cè)指標(biāo)水平均與正常組小鼠相當(dāng),這說明UCZR能夠有效降低尿酸水平和消除有害中間體H2O2。另外,通過UCZR治療的小鼠各組織器官?zèng)]有出現(xiàn)異常結(jié)構(gòu)形態(tài)或炎癥的現(xiàn)象,證實(shí)了UCZR的整體生物相容性。 


5. 血紅細(xì)胞和MOF-級(jí)聯(lián)酶的人工生物雜化體藥代動(dòng)力學(xué)和生物分布的表征 


6. 血紅細(xì)胞和MOF-級(jí)聯(lián)酶的人工生物雜化體的體內(nèi)藥效和毒性的評(píng)估


  以上相關(guān)成果以Synthetic Biohybrids of Red Blood Cells and Cascaded-Enzymes@Metal–Organic Frameworks for Hyperuricemia Treatment為題發(fā)表于《Advanced Science》上,華南理工大學(xué)博士研究生李澤宇和碩士研究生薛烈聰為該論文共同第一作者,華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院朱偉教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金的項(xiàng)目支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305126

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