华南理工朱伟 Adv. Sci.：基于红细胞和MOF-级联酶的人工生物杂化体用于高尿酸血症治疗

2023-12-17 来源：高分子科技

高尿酸血症（hyperuricemia）是指由嘌呤代谢紊乱（或）尿酸排泄障碍所导致血尿酸增高，细胞外液尿酸盐呈现超饱和的状态。长期尿酸过高会引发痛风，增加心脑血管疾病、代谢综合征及肾脏疾病病人的死亡率，同时血尿酸水平与动脉粥样硬化、高血压、脑卒和糖尿病等的发生率呈正相关关系。目前治疗或缓解高尿酸血症的药物较少，主要包括：1）促进尿酸排泄药物—通过干扰肾小管对尿酸的吸收而增加尿酸排泄，常见药物包括苯溴马隆、丙璜舒、磺吡酮等；2）阻断尿酸合成类药物—通过抑制黄嘌呤氧化酶的活性，阻断尿酸的产生路径，从而使嘌呤分解的产物以黄嘌呤和次嘌呤形式排出，具体药物包括别嘌呤醇、非布索坦、托匹司他等。但上述药物仍存在一定程度的副作用，包括药物不良反应和累积的肝脏毒性等。

尿酸酶（UOX）是一种高效的氧化酶，其可以特异性催化尿酸（UA）转化为水溶性更高且更易排出的尿囊素。目前基于UOX的治疗策略是治疗高尿酸血症的有效方法。但是UOX具有许多固有的缺点，如稳定性差、直接施用易被体内系统清除等。另外尿酸降解过程中有毒中间体（H₂O₂）的积累会导致严重的毒副作用。目前人们探索出许多递送尿酸酶的方案来克服上述限制（如PEG、脂质体、聚两性离子聚合物等），然而这些策略并不能保证外源性UOX在体内持久而快速地发挥效能。

图1. 基于血红细胞和MOF-级联酶（UOX-CAT）的人工生物杂化体用于治疗高尿酸血症的示意图

针对以上挑战，华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授团队基于纳米粒子模块化组装的思想，开发出了全新的血红细胞药物载体用于高尿酸血症的治疗（图1）。以功能纳米颗粒作为构筑基元，通过模块化组装方式将其可控组装于血红细胞表面形成全新装甲红细胞生物杂化体。除了通过纳米材料模块化组装来增强红细胞抵抗性，封装在ZIF-8纳米颗粒中的级联酶（UOX-CAT）也可以快速且持久地降低血液尿酸水平。当静脉注射装甲红细胞生物杂化体后，血液中的尿酸小分子可以接触到红细胞表面，并在UOX-CAT级联催化反应中进行有效降解，而红细胞的周围高氧环境可以进一步加速UA降解。同时，受益于 ZIF-8 的封装和对红细胞的搭便车效应，封装的UOX将避免体内蛋白酶的快速降解和系统清除，从而有效保持其内在活性，实现持久催化。

提高外源酶的稳定性对于其体内应用至关重要。因此，研究人员进一步考察了pH、温度、胰蛋白酶处理等几种环境条件对酶活性的影响。结果表明，在测量的温度范围内，UCZ的残留活性高于游离UOX，在70℃时其酶活性约为UOX的两倍。此外，在广泛的测试pH范围内，UCZ的残留活性也高于游离 UOX。胰蛋白酶处理后，UCZ 的活性下降缓慢，并在40分钟内保持在80%以上。上述结果表明，UOX封装在ZIF-8框架后，其应对环境压力的能力显著增强（图 2）。

图2. 血红细胞和MOF-级联酶的人工生物杂化体提升UOX的稳定性

红细胞在人类生理活动的氧气运输中起着至关重要的作用。通过在红细胞表面组装基于UCZ的外骨骼，尿素向尿囊素的转化可以受益于红细胞生物杂化体表面丰富的氧气。实验表明该超组装体（UCZR）保留有红细胞固有的生理功能（图 3）。研究发现UCZR拥有正常的载氧释氧能力，其渗透脆性曲线与天然红细胞也十分相似，甚至对低渗条件的抵抗略有增强。此外，对UCZR中的2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）和三磷酸腺苷（ATP）水平也进行了测试，发现其水平相较于天然红细胞没有显着变化。

图3. 血红细胞和MOF-级联酶的人工生物杂化体保持有红细胞原有结构和功能

红细胞因其独特的生物相容性和长循环时间而被广泛用于体内药物递送，并且凭借出色的可变形性能够轻松通过比自身更窄的微血管。红细胞的变形能力极大地影响其向各种组织和器官的运输。为此，利用原子力显微镜观察纳米颗粒组装前后红细胞形态和机械性能的变化（图 4）。测试结果发现UCZR组的杨氏模量为14.04±2.86 MPa，略高于天然红细胞的12.66±2.67 MPa。另外，由于纳米颗粒外骨骼的存在，UCZR的细胞粘附力为13.89±0.22 nN，大于天然细胞的5.17±0.15 nN。对放大的1 μm ² 部分的杨氏模量的测试表明，负载有纳米粒子的红细胞的表面硬度增加。

图4. 血红细胞和MOF-级联酶的人工生物杂化体机械性能表征

红细胞搭便车效应预计会延长UOX循环半衰期。根据双室药代动力学模拟分析，UCZR的消除半衰期为49.7±4.9 h，比游离UOX的清除半衰期（14.2 ± 1.7 小时）长了3倍以上。此外，为了研究相关器官内的分布，收集了小鼠肝脏、脾脏、肾脏、心脏和肺进行荧光分析。除了在两个主要过滤器官（肝脏和脾脏）中发现的大部分荧光信号外，UCZR 在肺部也显示出显着的荧光信号（图 5）。在体外验证了UCZR降解UA的能力后，研究人员建立了高尿酸血症小鼠模型以进一步检验UCZR的体内能力（图 6）。结果表明，随着时间的变化UCZR处理的小鼠的尿酸水平能在2小时内迅速降至正常水平。之后根据血液生化和组织病理学综合评估UCZR的体内毒性。UCZR 治疗组小鼠的所有检测指标水平均与正常组小鼠相当，这说明UCZR能够有效降低尿酸水平和消除有害中间体H₂O₂。另外，通过UCZR治疗的小鼠各组织器官没有出现异常结构形态或炎症的现象，证实了UCZR的整体生物相容性。

图5. 血红细胞和MOF-级联酶的人工生物杂化体药代动力学和生物分布的表征

图6. 血红细胞和MOF-级联酶的人工生物杂化体的体内药效和毒性的评估

以上相关成果以“Synthetic Biohybrids of Red Blood Cells and Cascaded-Enzymes@Metal–Organic Frameworks for Hyperuricemia Treatment”为题发表于《Advanced Science》上，华南理工大学博士研究生李泽宇和硕士研究生薛烈聪为该论文共同第一作者，华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的项目支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305126

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻