暨南大学陈填烽/威斯康星大学蔡伟波Angewandte：纳米硒手性药物设计与抗氧化应用

手性是自然界的本质属性之一，许多手性药物的药理作用是通过与体内大分子之间严格手性匹配与分子识别实现的。纳米粒子具有独特的尺寸和表面性质，被认为是扩大手性药物合成方法和治疗结果的理想平台。此外，在纳米粒子表面锚定手性分子可以使细胞表现出不同的手性偏好，从而提高手性药物的细胞摄取率。尽管在手性纳米材料的生物医学应用中取得了一些进展，但手性纳米颗粒在生物体内的分布、代谢和细胞抗氧化能力之间的联系尚未得到完全确定。

暨南大学的陈填烽教授一直致力于纳米化学创新药物的功能设计与肿瘤诊疗应用研究（Sci Adv, 2020, eaay9751; Adv Funct Mater 2019, 1901240; ACS Nano, 2018, 12401; Biomaterials, 2020, 119545等），利用纳米技术解决了微量元素硒在临床应用上的瓶颈。在前期纳米硒功能设计与疾病治疗应用的工作基础上，为了阐明手性在纳米硒发挥生物活性上的作用问题，陈填烽团队与威斯康星大学麦迪逊分校的蔡伟波教授合作，设计了不同手性纳米硒，利用无创性正电子发射断层扫描（PET）显像研究手性纳米硒的分布及代谢特征，并深入探讨了不同手性的纳米硒粒子对棕榈酸引起的胰岛细胞氧化损伤的预防保护作用差异，以及带来这种差异的分子机制。

该论文 “Chirality-driven transportation and oxidation prevention by chiral selenium nanoparticles”近日在国际顶尖期刊《Angewandte Chemie International Edition》上以Frontispiece发表（Angew. Chem. Int. Ed. 2020,59, 4406-4414），暨南大学黄妍瑜副研究员、硕士研究生傅元婷为共同第一作者，暨南大学陈填烽教授、威斯康星大学麦迪逊分校蔡伟波教授为通讯作者。研究工作获得了获得万人计划、国家863计划、国家自然科学基金项目等项目的资助。

【本文要点】

要点1

硒是生命有机体的必需元素，硒的生物利用度、毒性和生物学特性的主要决定因素在于其化学形式，氧化还原状态和剂量。在本文中，作者以零价态纳米硒作为研究载体，在其表面分别添加_L-,_D- 或者_DL-谷胱甘肽（GSH），赋予其不同的手性特征。透射电子显微镜数据显示，_L-，_D-和_DL-G@SeNPs的平均尺寸为130 nm左右。圆二色谱表明，_D-G@SeNPs和_L-G@SeNPs在UV区域显示垂直镜像的CD峰，说明_L-G@SeNPs和_D-G@SeNPs具有手性特征。此外，作者用X射线光电子能谱鉴定了手性G@SeNPs的化学结构（图1）。

图1. 手性G@SeNPs的设计、形态和化学表征。

静脉内注射纳米颗粒通过两种主要途径从体内清除：肝胆清除和肾脏清除。为了鉴定具有不同手性的纳米颗粒是否表现出独特的生物分布特性，作者对药物注射后的Balb/c健康小鼠进行了PET成像。在此之前，作者用⁶⁴Cu对不同手性的纳米粒子进行放射性标记。PET成像图清晰地显示⁶⁴Cu-_L-G@SeNPs主要聚集在肝脏和肠中，而⁶⁴Cu-_DL-G@SeNPs和⁶⁴Cu-_D-G@SeNPs则快速在肾脏累积。离体生物分布数据进一步证明了不同手性纳米粒子在肝脏、脾脏，胰腺、肠和肾中的摄入量存在显着差异（图2）。

图2.手性G@SeNPs在体内的PET成像。

要点二：手性纳米硒的代谢形态分析

为了进一步了解⁶⁴Cu标记的手性G @ SeNPs的转化和消除方式，作者分别通过Radio-TLC和LC-ICP-MS分析了小鼠尿液中的⁶⁴Cu态和硒形态。如图S5所示，所有实验组在尾静脉注射4 h后收集的大部分尿液中充满了从纳米颗粒分离的⁶⁴Cu。此外，作者利用HPLC-ICP-MS对尿液中的总硒和主要硒种类（SeCys，SeMeCys，SeMet，Selenite）进行了定量。数据显示，在各组尿液中均检测到SeCys和亚硒酸盐，这表明手性SeNPs可以转化为SeCys和亚硒酸盐。此外，作者发现尿液中还可能存在其他未检测到的硒种类，比如零价态纳米硒。尿液的TEM图像清楚地表明存在被降解的纳米颗粒（图S8）。这些结果表明，经过肝脏/肾脏清除的手性SeNPs可能会降解成较小的纳米粒子和其他Se代谢产物（包括硒代胱氨酸和亚硒酸盐），并最终排入尿液。

要点三：_L-G@SeNPs具有更强的抗氧化效果

作者在荧光显微镜下观察了手性纳米粒子对INS-1E细胞膜上的黏附作用。细胞荧光照片、3D图像及皮尔逊相关系数等数据均显示，_L-G@SeNPs比D和DL型纳米粒子对INS-1E细胞膜粘附性更高，从而促进了INS-1E细胞对L型纳米粒子的摄取作用。利用_L-GSH和_L-磷脂膜之间的同源粘附作用，它更有效地减弱了棕榈酸引起的活性氧含量和线粒体断裂程度，从而阻止了棕榈酸引起的INS-1细胞氧化损伤（图3）。

图3. 手性G@SeNPs在INS-1E细胞中的定位和细胞摄取。

总体而言，作者揭示了纳米系统的手性影响了其在肝脏，肠道和肾脏中的分布途径及定位速度。_L-G @ SeNPs在肝脏，脾脏和胰脏中表现出优先积累，而DL和D型纳米粒子则逃避了肝脏的吸收，并经历了更快的肾脏清除。利用同源细胞粘附和摄取的优势，_L-G@SeNPs更倾向于和细胞膜（含有L型磷脂分子）的相互作用来摄取纳米粒子，从而更有效防止了棕榈酸对胰岛细胞引起的氧化损伤，这符合自然选择的模式。

论文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201910615

作者介绍：

陈填烽，现任暨南大学教授，一直致力于纳米化学创新药物的功能设计与肿瘤诊疗应用研究，获得万人计划青年拔尖人才项目、国家863计划、国家自然科学基金项目等多个项目的资助。近五年以通讯作者在Science Advances、Adv Funct Mater、Angew Chem Int Ed及ACS Nano等本领域主流杂志发表关于硒的研究论文超过200篇，封面论文32篇，h-index 54，申报中国专利50项，PCT专利2项，授权美国专利1项，实现技术成果转化8项。以第一完成人获得2018年中华医学滚球体育 奖青年滚球体育 奖、2018年广东省自然科学二等奖、2017广东省滚球体育 奖、2017中国产学研创新奖等滚球体育 奖励，推动了硒在生物医药与肿瘤精准诊疗领域的应用与发展。

蔡伟波，美国威斯康星大学麦迪逊分校放射学系、医学物理学系、生物医学工程系、材料科学与工程系及药学系Vilas杰出成就教授。主要从事分子影像及生物纳米滚球体育 的研究。在包括Nat Nanotechnol, CSR, ACR, PNAS, AM, ACIE, ACS Nano 等杂志发表论文300余篇(引用>20000次，H-index 80。获得了欧洲核医学学会斯普林格奖（2011 & 2013），美国癌症学会研究学者奖（2013-2017），美国医学与生物工程院（AIMBE）会士 (2018) 等奖项。