北京化工大学汪乐余、胡高飞团队《Nat. Commun.》:通过价态工程策略实现氧化钼纳米酶的催化选择性调控

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能够模拟天然酶活性的纳米酶因其低成本、高稳定性、可大批量生产及耐用性等优势受到广泛关注，但由于缺乏天然酶固有的空间、组分协同的类酶分子识别单元，通常纳米酶的反应选择性较差。氧化还原纳米酶（过氧化氢酶CAT、超氧化物歧化酶SOD、氧化物酶OXD、过氧化物酶POD等）能够清除或生成活性氧（ROS），而多种疾病的发生、发展则与活性氧关系密切。尤其是类CAT和POD活性均需要H2O2作为底物，分别产生O2和·OH，两者会不可避免地在一定程度上竞争H2O2，从而影响实际应用中H2O2的利用率及性能。目前，关于相同底物的多种类酶反应路径的选择性调控的研究较少，对于活性氧相关疾病的特异性催化治疗是一个重大挑战。


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基于此，北京化工大学汪乐余教授、胡高飞教授团队以氧化钼为模型，系统探究了Mo的价态对H2O2催化路径的影响，成功调控氧化钼纳米酶的类CAT活性和类POD活性的催化特异性，并将具有最优类CAT活性的材料应用于小鼠急性肾损伤（AKI）治疗及愈后评估。相关工作以“Valence-engineered catalysis-selectivity regulation of molybdenum oxide nanozyme for acute kidney injury therapy and post-cure assessment”为题发表在Nature Communications上。

在这项研究中，作者通过温和氧化的方法重构Mo6+、Mo5+、Mo4+的价态分布，得到一系列平均价态逐渐升高的亲水纳米颗粒MF-x（x表示氧化时间）。实验结果表明，较低Mo平均价态的MF-0和较高Mo平均价态的MF-10分别表现出最佳的类CAT或POD活性。此外，MF-0在AKI治疗中表现出很强的潜力，并且具有良好的稳定性和生物相容性。更有趣的是，在治疗过程中，MF-0由近红外光驱动的光声（PA）信号能够随着病灶部位ROS的消耗而发生变化，从而保证了深层组织中ROS的实时和原位监测。在AKI小鼠中，过量ROS引起的PA信号减弱（关闭），而当AKI小鼠被MF-0治愈后，肾脏中的ROS被清除，PA信号打开。ROS响应的光声成像规避了非特异性滞留的假阳性信号，成功实现治疗过程的实时监测和AKI的愈后评估（图1）。

2图1 氧化钼纳米酶MF-x的价态工程催化选择性调控及在急性肾损伤治疗和愈后评估中的应用

研究者通过改变氧化时间，成功制备Mo的平均价态从4.64升高至5.68的系列材料MF-0、MF-2、MF-3.5、MF-5和MF-10（图2）。接下来进一步探究了MF-x的Mo平均价态与催化选择性的关系，实验结果表明，从MF-0到MF-10，随着Mo平均价态的升高，类CAT活性逐渐降低，而类POD活性逐渐增强。对于具有氧化还原活性中心的纳米酶而言，氧化还原过程的快速循环保证了其类酶活性，因此可合理认为Mo的价态是决定MF-x的催化选择性的关键因素。此外，研究者通过密度泛函理论（DFT）计算进一步阐明MF-0和MF-10的催化选择性的起源和潜在机理。自由能相关数据表明，对于MF-0，生成·OH的决速步（RDS）为*OH+*OH→*OH+·OH(·OH脱附)，生成O2的RDS为*O2→MF-0+ O2 (O2脱附)，自由能垒分别为2.24 eV和1.21 eV。生成O2较低的RDS势垒表明MF-0更易催化H2O2生成O2而不是·OH，而MF-10则刚好相反。另外，投影态密度分析、差分电荷及Bader电荷也进一步解释了具有显著催化选择性的机理。MF-10的Mo轨道的d带中心相较于MF-0更远离费米能级，导致MF-10活性位点与中间体之间的相互作用较弱，进一步促进了·OH的脱附，同时MF-10对2*OH的电荷转移量较MF-0更少，也验证了这一点（图3）。

3图2 系列价态的氧化钼材料的基础表征

4图3 基于Mo价态的催化选择性调控和机理探究

基于对MF-x的催化选择性的成功调控，研究者进一步探究了具有最优类CAT活性的MF-0的ROS清除性能。结果表明，MF-0具有优异的广谱抗氧化性能，在细胞层面，MF-0的引入可以有效清除细胞内过量的ROS，保护细胞免受氧化应激诱导的细胞损伤（图4）。在动物层面，比较不同组的AKI小鼠的肾功能指标、肾组织切片的H&E染色及二氢乙锭染色结果，证明MF-0可以有效清除AKI小鼠肾脏中过量的ROS，从而减轻肾小管损伤，达到显著的AKI治疗效果（图5）。

5图4 MF-0的体外活性氧清除能力

6图5 MF-0用于小鼠急性肾损伤治疗

除了有效治疗AKI外，MF-0还可用于ROS响应光声成像（PAI）。众所周知，材料的光声信号高度依赖于其吸收强度，随着H2O2浓度增加，MF-0溶液在730 nm处的吸收值明显降低，PA信号也逐渐减弱。小鼠体内PAI成像结果表明，与健康小鼠不同，AKI小鼠肾脏中的ROS水平较高，导致PAI信号减弱（“关闭”状态），经MF-0治疗后，AKI小鼠肾脏中过量的ROS被清除，从而在治愈的AKI小鼠中开启PAI信号。正如预期，治愈后的AKI小鼠在静脉注射MF-0溶液30 min时，肾脏部位的PAI强度是AKI小鼠的2.1倍，与健康小鼠呈现相当水平，成功实现了ROS响应光声成像用于活体的AKI治疗效果及愈后评估（图6）。

7图6 活性氧响应性光声成像用于急性肾损伤小鼠的愈后评估

综上所述，研究人员开发了一种温和氧化的价态工程策略来调节氧化钼纳米酶的选择性，MF-0和MF-10分别对涉及H2O2的不同反应途径（类CAT活性和类POD活性）具有高特异性。通过这种策略，可以很好地调节MF-x纳米酶的从H2O2到O2或·OH的决速步的电子结构和自由能垒。体外和体内实验结果均表明，MF-0能实现对AKI的高效治疗及响应型PAI成像介导的愈后评估。该研究为合理设计具有高催化选择性和H2O2清除能力的氧化还原纳米酶提供了指导，并为开发用于ROS相关疾病治疗和愈后成像评估的集成纳米探针提供了新见解。

北京化工大学汪乐余教授和胡高飞教授为该论文的共同通讯作者，博士生李梁雨为该论文的第一作者。本研究受到国家自然科学基金、北京市重大国际合作项目和中央高校基本科研业务费等项目资助。


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