郑州大学姜伟教授，范克龙教授《Adv. Sci.》：一种心脏靶向和锚定双金属簇纳米酶减轻化疗诱导的心脏铁死亡和泛凋亡

摘要

阿霉素（DOX）是一种有效的抗肿瘤药物，通常与心脏毒性有关，需要开发策略来减少其对心功能的不良影响。先前的研究表明，dox诱导的心脏毒性与氧化应激途径的激活之间存在很强的相关性。这项工作介绍了一种新的抗氧化治疗方法，利用单宁酸和n -乙酰- l-半胱氨酸保护的双金属簇纳米酶库。通过对抗氧化酶样活性的广泛筛选，确定了一种最佳的双金属纳米酶（AuRu），它具有显著的抗氧化特性，模仿过氧化氢酶样酶。理论计算揭示了制备的纳米酶的表面相互作用，模拟了过氧化氢分解过程，表明这些双金属纳米酶很容易进行OH -吸附和O₂解吸。为了增强心脏靶向性，心房利钠肽与AuRu纳米酶结合。这些心脏靶向双金属簇纳米酶具有锚定能力，可有效减少dox诱导的心肌细胞铁死亡和泛凋亡，而不影响肿瘤治疗效果。因此，这种治疗方法显示出化疗诱导的心脏细胞死亡的显著减少和心功能的改善，并伴有卓越的体内生物相容性和稳定性。这项研究为预防化疗引起的心脏毒性提供了一条有希望的途径，为癌症患者提供了潜在的临床益处。该研究以题为“A Cardiac-Targeting and Anchoring Bimetallic Cluster Nanozyme Alleviates Chemotherapy -Induced Cardiac Ferroptosis and PANoptosis” 发表在Advanced Science上。    

多柔比星（DOX）是一种蒽环类药物，广泛应用于临床肿瘤化疗,然而，它的使用与心脏毒性的风险相关，导致进行性、慢性和潜在危及生命的心肌病的发作，称为DIC。DIC是一种严重的心肌病，与其他类型的心肌病相比，预后明显较差。与DIC相关的心脏毒性限制了阿霉素治疗恶性肿瘤的临床应用,一些研究已经报道了DIC的潜在分子机制，包括拓扑异构酶II （Top2b）抑制介导的转录失调、钙离子处理中断、线粒体铁积累、线粒体功能障碍和细胞死亡途径的改变。DOX在心肌细胞的细胞核和线粒体中积累，导致线粒体铁过载和过度氧化应激。这进而破坏细胞内死亡信号通路，包括铁死亡和泛凋亡。这些相关的分子过程已被确定为DIC的潜在发病机制。DOX诱导心脏损伤的确切机制尚不清楚，目前还没有确定的安全有效的治疗方法来预防这种损伤。因此，寻找一种有效的方法来减少或预防化疗对心脏的副作用是至关重要的。既往研究表明，锰超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx1）等天然酶对DIC具有显著的治疗作用，可降低细胞内活性氧（ROS）水平，减少铁死亡，从而减轻心脏化疗毒性，然而，天然抗氧化酶的临床潜力受到一些缺点的限制，包括快速失活、降解、半衰期短和膜渗透性差。纳米酶是一类具有生物催化功能的新型纳米材料，具有较高的催化活性和生物相容性。它们已被证明通过多种机制修复和保护心脏功能，包括免疫反应调节、自由基清除和氧化应激的减少。研究纳米酶在调节化疗引起的心肌细胞程序性死亡中的作用，以及它们减轻心脏毒性的潜力，对于提高化疗的安全性和有效性至关重要。金（Au）具有优异的生物相容性和可调节的酶样活性，使其广泛应用于肿瘤的根除和炎症，使用纳米酶治疗心脏化疗毒性的一个重大挑战是心脏组织中的快速血流，这减少了药物停留时间并降低了当前抗氧化治疗的有效性。因此，开发一种有效的具有锚定能力的心脏靶向纳米酶对于治疗化疗引起的心脏毒性至关重要。

研究概况

该项研究旨在探讨纳米酶如何调节心脏铁死亡和泛凋亡，并评估其减轻化疗引起的心肌病的潜力。合成了单宁酸（TA）和n -乙酰- l-半胱氨酸（NAC）保护的双金属簇状纳米酶文库。通过对抗氧化酶样活性的筛选，确定了最佳的nac保护双金属纳米酶（AuRu）。探讨了合成的纳米酶的合成、表征和生物催化性能，并进行了动物实验。采用心脏组织靶向多酚（TA）工程技术，精确构建具有超强抗氧化催化活性和心脏靶向能力的nac保护双金属簇状纳米酶（TBMzyme）。为了进一步增强心脏靶向和锚定治疗，将心房钠素肽（ANP）偶联到TBMzyme上，形成ATBMzyme。这些发现为纳米酶在减少化疗引起的心脏毒性方面的潜在临床应用提供了科学证据，并提出了一种有针对性的方法来减轻心脏铁死亡和泛凋亡，可能会彻底改变DIC的治疗。

图一：a)双金属簇纳米酶文库和心脏靶向atbm酶的制备及b)心脏靶向atbm酶在DIC治疗中的应用示意图。

图二：双金属纳米酶的制备与筛选。A)不同双金属纳米酶的制备示意图。B)不同双金属纳米酶的cat样活性。C)不同双金属纳米酶的sod样活性。D)不同双金属纳米酶对ABTS自由基的清除率。E)不同双金属纳米酶对DPPH自由基的清除率。F)雷达图（不同双金属纳米酶的SOD/ cat样活性、ABTS和DPPH自由基清除能力）。G)模拟cat类催化过程的不同初始、过渡和最终状态的表面构型。

图三：纳米酶的制备与表征。A) ATBMzyme制备方案。B) ATBMzyme的TEM图像（标尺= 20 nm，插入的TEM标尺为2 nm）。C-E) ATBMzyme元素图谱。F) BMzyme， TBMzyme和ATBMzyme的FTIR。G) ATBMzyme中Au元素的XPS光谱。H) ATBMzyme中Ru 3d的XPS光谱。I) BMzyme和TBMzyme的PXRD。J) TBMzyme和ATBMzyme的1H NMR。

图四：纳米酶清除活性氧的潜力分析。A)缓冲溶液中BMzyme、TBMzyme和ATBMzyme的紫外-可见光谱。B)不同浓度缓冲液（pH 7.4）培养后BMzyme、TBMzyme和ATBMzyme的sod样活性。C)在pH 7.4的缓冲溶液中孵育后，通过监测240 nm吸光度变化来评估BMzyme和TBMzyme对H₂O₂的分解。D)在缓冲液（pH 7.4）中孵育不同时间后，BMzyme、TBMzyme和ATBMzyme的cat样活性。E，F) ATBMzyme减少了超氧自由基（·O²⁻）和羟基自由基（·OH）的生成。G) ABTS•+对BMzyme、TBMzyme、ATBMzyme的清除率。H)对BMzyme、TBMzyme、ATBMzyme的DPPH•清除率。I) ATBMzyme级联ROS和RNS清除活性示意图。n = 3，数据代表均值±SD。

图五：atbm酶可显著减轻阿霉素诱导的铁死亡和泛凋亡。AC16细胞用ATBMzyme预处理20 h，然后用DOX （800 nm）处理24 h。随后收集细胞进行以下实验：A)流式细胞术计算PI+ AC16细胞百分比（n = 6）。B) AC16 PI染色定量（n = 6）。C) AC16线粒体膜电位（JC-1染色）代表性显微镜图，绿色：JC-1单体；红色：JC-1骨料(比例尺，50 μm；n = 6)。D) AC16细胞JC-1染色定量（n = 6）。E) AC16细胞内ROS代表性流式细胞术图（DCFH-DA染色）（n = 6）。F)细胞内ROS定量(DCFH-DA）

图六：酶和反氧酶的心脏特异性靶向能力。A)动物活体成像的代表性图像。B)心、肝、脾、肺、肾、肿瘤的代表性荧光图像。C)代表性免疫荧光图像，D)不同器官组织中BMzyme和ATBMzyme分布的荧光强度定量(比例尺，50 μm；n = 6)。数据以mean±SD表示，采用双尾Student 's t检验，*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。

图七：心脏靶向atbm酶可显著减轻阿霉素引起的心肌损伤，降低心功能。A)实验设计：在携带4T1肿瘤细胞的Babl/c小鼠中建立慢性DIC小鼠模型，用BMzyme和ATBMzyme治疗DIC模型。所有测试和分析在最后一次注射DOX后1周进行。B)心脏重量/胫骨长度比（n = 6）。C)心功能代表性超声心动图（比例尺= 300 ms, n = 6）。D、E)射血分数和分数缩短的定量分析。（n = 6）。F-I)血清乳酸脱氢酶（LDH）、心肌肌钙蛋白T （cTnT）、肌酸激酶-心肌带（CK-MB）和n端前b型利钠肽（NT-proBNP）水平评估心脏损伤（n = 6）。J)图7A、刻度条的心脏HE和Masson染色在图中显示。数据以mean±SD表示，采用单因素方差分析，并进行Tukey事后检验，**p < 0.01, ***p < 0.001与Vehicle组比较；与DOX组相比，#p < 0.05, ##p < 0.01和###p < 0.001。

图八：心脏靶向atbm酶通过防止铁中毒引起的心肌细胞死亡而显著缓解DIC。A)透射电镜检查心脏组织的代表性显微照片（比例尺，2 μm）。B)心脏细胞内ROS水平的代表性显微照片（DHE染色）(比例尺，50 μm；n = 6)。C)心脏组织切片DHE染色定量（n = 6）。D)心脏4-HNE染色代表性免疫组化显微图(比例尺，50 μm；n = 6) E)心脏切片4-HNE染色定量（n = 6）。F)心脏组织中铁中毒相关蛋白的代表性免疫印迹（n = 6）。G)心脏组织中铁中毒相关蛋白的定量分析（n = 6）。数据以mean±SD表示，采用单因素方差分析，并进行Tukey事后检验，***与载药组比较p < 0.001；与DOX组相比，#p < 0.05, ##p < 0.01, ###p < 0.001。

图九：以心脏为靶点的atbm酶可通过预防泛凋亡诱导的心肌细胞死亡而显著缓解DIC。A)心脏切片TUNEL染色代表图，绿色荧光表示TUNEL阳性细胞(标尺，50 μm；n = 6)。B)心脏切片TUNEL染色定量（n = 6）。C-E)心脏组织中泛凋亡相关蛋白的代表性免疫斑点（n = 6）。F)心脏组织中泛凋亡相关蛋白的定量分析（n = 6）。G) ATBMzyme减轻化疗诱导的心脏铁死亡和泛凋亡的示意图。数据以mean±SD表示，采用单因素方差分析并进行Tukey事后检验，*p<0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001与Vehicle组比较；与DOX组相比，##p < 0.01, ##p < 0.001。

图十：酶和反氧酶对dox诱导的肾和肝损伤均有保护作用。A)肝、肾切片H&E染色代表性显微图(比例尺，50 μm；n = 6)。B)肝脏和肾脏切片TUNEL染色的代表图像，绿色荧光表示TUNEL阳性细胞(标尺，50 μm；n = 6)。定量检测肾C、肝D、E-H血清丙氨酸转氨酶（ALT）、天冬氨酸转氨酶（AST）、尿素氮（urea）和肌酐（CREA）水平，评估肝肾损伤（n = 6）。数据以mean±SD表示，采用单因素方差分析，并进行Tukey事后检验，**p < 0.01, ***p < 0.001；与DOX组相比，#p < 0.05, ##p < 0.01, ###p < 0.001。

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