本期分享的一篇文章是來自上海大學陳雨教授團隊在2021年4月份發(fā)表在《Nature Communication》的一項關于2D V2C MXenzyme 用于減輕ROS介導的炎癥和神經退行性疾病的工作。文章題目：2D vanadium carbide MXenzyme to alleviate ROS-mediated inflammatory and neurodegenerative diseases，影響因子：14.919，文章地址：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22278-x.

一、背 景

1 活性氧在低濃度下對細胞功能調節(jié)具有重要作用，過量和失衡會導致氧化應激，造成一系列的不可逆破壞，包括DNA損傷，脂質體過氧化，蛋白質變性等，進而引發(fā)動脈粥樣硬化、神經退行性疾病、炎癥、衰老、血色素沉著癥，甚至癌癥。因此，為了緩解其有害影響，嚴格的ROS調控對于維持細胞穩(wěn)態(tài)至關重要。

2 體內的天然抗氧化酶對于維持氧化還原穩(wěn)態(tài)具有重要的作用但是由于其獨特的化學組成(RNA/蛋白質)易受環(huán)境因素的影響導致酶活性喪失。為了解決這一問題，具有類酶活性的納米材料，統(tǒng)稱為納米酶因其易于制備、高穩(wěn)定性和可調的酶活力引起了研究人員越來越多的關注。目前報道過的有Fe/Cu/Carbon、Au/Pt/V-基納米酶等。其中文獻中報道的V-based納米酶大都只有一種酶活性，限制其體內抗氧化中的實際應用。

3 過渡金屬碳化物和/或氮化物(MXenes)，是一類廣泛用于儲能和生物醫(yī)學的優(yōu)越的二維(2D)材料，這歸因于它們的多功能組成、物理化學多樣性和可調制性，但是其在ROS介導的炎癥和神經退行性疾病中的應用仍有待進一步考查。

二、結果與討論

1、2D V2C MXene的合成和表征

該納米酶通過對V2AlC進行氫氟酸蝕刻而后經氫氧化四丙基銨插層來合成的。FESEM圖中可知，初始V2AlC表現(xiàn)出緊密的層狀板態(tài)。經過HF處理后，緊湊的層膨脹形成松散的手風琴形多層結構，說明其成功剝落。EDX圖譜顯示出V2AlC含有均勻分布的V, Al, C元素，而V2C MXenes由于氫氟酸的蝕刻，導致Al元素選擇性去除，顯示出V, C, O, F元素圖譜。為了進一步證實具有少量層狀的六角晶格的V2C MXenes的成功合成，作者又通過TEM(SAED)/HRSTEM等來表征；

2、2D V2C MXenzyme的類酶活性以及活性氧去除能力

研究人員首先對2D V2C MXenzyme的多重酶活性進行評估，通過WST-1測定其SOD-like活性，利用對苯二甲酸/O2的生成量來測定其CAT活性，3, 3’, 5, 5’-四甲基聯(lián)苯胺來測定其過氧化物酶活性(POD)，利用NADPH的減少量來評估其谷胱甘肽過氧化物酶活性(GPx)，含巰基半胱氨酸/鹵族元素來測定其硫醇過氧化物酶活性/鹵過氧化物酶活性(TPx/HPO)，結果均表明該2D V2C MXenzyme具有優(yōu)異的多重抗氧化酶活性，優(yōu)于目前報道的如CuxO/Fe-N/C/PBs/N-MSNs等納米酶，具有廣譜活性氧清除能力。隨后通過與Trolox (TR)典型的抗氧化劑的抗氧化能力對比、UV誘導活性氧生成抑制以及羥基自由基去除實驗來進一步評估該V2C MXenzyme的活性氧清除能力，結果表明該V2C MXenzyme具有顯著的活性氧去除能力，且這種能力具有濃度依賴性。

3、V2C MXenzyme對體外細胞的氧化應激保護作用

為了評估該納米酶對細胞的氧化應激保護能力，研究人員首先驗證了該材料的細胞毒性，結果表明，該材料在高達200 mg/mL時，仍然沒有明顯的細胞毒性。L929和PC12細胞的攝取實驗則表明， V2C MXenes是通過內吞途徑進入細胞。使用阿米洛利或制蟲抑素處理對RB標記的V2C MXenes的內吞作用均有顯著的抑制作用，表明該材料在細胞中的攝取涉及小窩/脂質介導的內吞作用和微胞吞作用。進而利用V2C MXenzyme來干預UV/H2O2誘導L929和PC12細胞氧化應激考察材料的保護效力，結果表明該納米酶可以有效減輕氧化應激損傷，維持細胞活力。總之，V2C MXene酶的高效細胞內攝取、顯著的ROS消除和細胞保護能力，使其成為一種有效的治療ROS相關疾病的人工抗氧化酶。

4、V2C MXenzyme對ROS介導細胞內成分的保護作用

ROS熒光染色、死細胞/活細胞染色實驗也均有效證明對V2C Mxenes對UV/Fetonn-H2O2試劑誘導的損傷具有優(yōu)異活性氧清除能力。同時經V2C MXene處理的細胞其凋亡相關表達蛋白Cleaved caspase-3的表達量，蛋白質碳基化水平，細胞脂質體過氧化和DNA損傷水平也得以明顯減少。

5、2D V2C MXenes體內抗炎活性以及對MPTP誘導的帕金森疾病的神經保護

進一步研究人員探究了納米酶在體內的抗炎活性，其血液學、血清生化以及組織學均表明靜脈注射該材料不會明顯引起動物體內的炎癥、水腫、肺纖維化、增生、壞死和其他異常現(xiàn)象，證實了體內實驗的安全性。隨后作者使用PMA誘導小鼠耳朵生成急性局部刺激性皮炎，ROS熒光原位成像證明PMA誘導了活性氧的大量生成，而V2C MXene處理后的小鼠其熒光強度顯著降低了56.5%。同時相較于PMA處理組，V2C MXene組小鼠的皮膚炎癥明顯緩解。在LPS誘導的急性腳踝炎癥小鼠實驗也可以看到類似的現(xiàn)象，以上均表明V2C MXene的廣譜體內抗炎能力。同時考慮到氧化應激也與神經再生性疾病相關，研究人員利用MPTP來誘導小鼠構造帕金森小鼠模型并探究V2C MXene 對帕金森疾病治療效果。結果發(fā)現(xiàn)與MPTP誘導的小鼠，其紋狀體酪氨酸羥化酶的水平顯著降低，而經V2C MXenes處理后的小鼠，其酪氨酸羥化酶水平(TH)明顯更高，小膠質細胞活化的生物學指標離子鈣結合接頭分子1 (IBA-1) 明顯下調，脂質體過氧化標志分子4-羥基壬烯酸(4-HNE) 的表達水平減少，這些都進一步證明材料通過抑制MPTP誘導的氧化應激來保護小鼠免受神經毒性。

6、V2C MXene多酶活性的機制分析

最后研究人員系統(tǒng)研究V2C MXene的多酶活性的可能機制，其中

SOD活性：作為中間電子載體，VIV可以與超氧化物反應并生成氫過氧化氧釩(VOOH)，其中電子從VIV轉移到O2??。然后，VOOH的質子化伴隨著H2O2的釋放和VV再生。V2C MXene的氧化電位值，有效證明了V2C MXene具有催化O2??歧化的能力。

CAT活性：當反應混合物中存在H2O2時，VV如 OVO+可被氧化形成C1單過氧化釩物質 OV(O2)+。此外，形成的OV(O2)+與另一個H2O2分子的相互作用導致產生C2雙過氧化釩物質 HOOV(O)22+。VV和H2O2之間生成VIV和.OOH的反應在液氮溫度 (-196℃) 下的電子自旋共振 (ESR) 光譜測量中得到證實。隨后是OV2+補充，可變C3 m-過氧橋OVOOV(O2)+ 由于內部氧化斷裂生成OVO+和C4氧-過氧自由基?OV(O2)2+。最后，分子氧(O2)通過.OV(O2)2+的歧化反應從反應體系中釋放出來。

GPx活性：由于V2C MXenzyme為H2O2還原伴隨GSH氧化提供反應位點。隨后，作為質子載體的GSH將部分帶負電的氧(δ-)質子化，同時GS- 作為親核試劑攻擊帶正電的氧 (δ+)，生成不穩(wěn)定的磺酸鹽結合中間體G2(GSOH)，通過水解從而分解G3谷胱甘肽次磺酸(GSOH)和G4二羥基中間體。值得注意的是，該途徑的GSOH可能是HOBr從釩依賴性鹵代過氧化物酶中V-OBr中間體的遷移產生的。

POD活性機制：V原子應該充當路易斯酸位點，但用于橋接氧原子的電子鍵對表現(xiàn)為路易斯堿位點，其中，發(fā)生氧的親核加成反應。隨后，V2C MXene應該與H2O2反應形成中間體V-過氧 (P1) 物，然后TMB底物通過親核攻擊與V-過氧復合物結合形成P2，從而允許TMB的氧化反應形成TMB*+物。由于H2O2是一種雙電子氧化劑，因此V2C MXene再生需要另一個TMB分子來誘導TMBox形成。

三、結 論

本工作主要報道了一種具有SOD/CAT/POD/GPx/TPx/HPD類酶活性的V2C MXenes, 該納米酶可以模擬細胞內抗氧化防御系統(tǒng)對抗 ROS 介導的關鍵氧化損傷（例如，蛋白質羰基化、脂質過氧化和DNA損傷），從而將過渡態(tài)金屬碳/氮化物從傳統(tǒng)的化學催化和儲能領域擴展為催化生物醫(yī)學用途。體內體外實驗均有效證實V2C MXenzyme 不僅顯示出滿意的生物相容性同時可以通過催化反應去除活性氧來保護細胞成分抵抗氧化應激損傷。綜上所述，該MXenzyme是一類可用于多種炎癥和神經退行性疾病治療的特定應用的有價值的工具。