新型多功能抗氧化纳米酶的构建及应用

Nanozymes, one kind of nanomaterials with biocatalytic activities, overcome many inherent defects of natural enzymes, such as complex preparation and purification process, high cost, poor stability and low recycling efficiency. Therefore, nanozymes have attracted numerous attentions. Nanozymes have been used in the fields of detection, environmental treatment, and disease treatment. Oxidative damage often leads to some physiological diseases, which are mainly caused by reactive oxygen species (ROS). To effectively scavenge intracellular overexpressed ROS and maintain the redox balance, antioxidant enzymes are needed to protect cell components against oxidative damage. However, the defense system based on nanozyme which mimics the synergistic antioxidant mechanism of intracellular enzyme and non enzyme is not explored. Herein, we propose to design and construct multi-nanozymes to mimic an intracellular antioxidant defense system. We will explore their biological functions in vitro and in vivo. The study will provide theoretical basis and technical support for the treatment of oxidative damage related diseases using nanozymes.

纳米酶是具有生物催化活性的纳米材料，克服了天然酶存在的制备提纯复杂、价格昂贵、稳定性差、循环利用率低等缺陷，作为天然酶的模拟物受到许多关注。目前已应用于检测、环境治理、疾病治疗等领域。氧化损伤常常会引发一些生理疾病，它主要是由高浓度的活性氧自由基（ROS）所引起。为了清除过量的ROS，维持细胞微环境的氧化还原平衡，需要许多抗氧化酶共同协作来抵抗氧化损伤。但是，目前利用纳米酶体系来模拟细胞内酶和非酶协同的抗氧化机制则鲜有报道。本项目计划利用纳米材料的抗氧化酶类似活性，设计构建新型的纳米酶复合体系，探索其在细胞及活体层面的生物学功能，为纳米酶在氧化损伤相关疾病的治疗提供理论基础和技术支持。

纳米酶是具有生物催化活性的纳米材料，相比天然酶具有价格便宜，稳定性好，循环利用率高等优点，因此被用于检测，环境治理，疾病诊疗等领域。活性氧自由基（ROS）在免疫、信号传导等生理过程中起着重要的作用，但过多的活性氧自由基就会有破坏行为，导致人体正常细胞和组织的损坏，从而引起多种疾病。为了清除过量的ROS，维持细胞微环境的氧化还原平衡，需要抗氧化酶来抵抗氧化损伤。本项目结合了化学、材料学及化学生物学，设计并构建了一系列生物相容性好，催化活性高，可调控的纳米酶复合体系，探索其在细胞及活体层面的生物学功能。（a）利用金属有机骨架（MOFs），氢键有机框架（HOFs），单原子纳米材料，无机碳纳米材料，磁电材料等，通过化学偶联、自组装等手段，获得十种以上新型复合纳米酶材料。（b）结合纳米酶的几何结构和电子结构的表征以及密度泛函理论（DFT）计算，深入研究了纳米酶的构效关系及催化机理。（c）研究了纳米酶在细胞层面的催化性能和生物学效应。（d）构建动物模型，研究了纳米酶对疾病的诊疗作用，并评估了纳米酶的生物安全性。该项目提出了构建纳米酶的新策略，为纳米酶在氧化损伤相关疾病、细菌感染相关疾病以及癌症等的治疗提供理论基础和技术支持。研究成果以论文的形式公开发表，在SCI收录的期刊上发表论文共计42篇。共培养博士研究生9名。