本文要點(diǎn)：本研究講述了一種通過原子工程方法開發(fā)的Au22團(tuán)簇，該團(tuán)簇具有強(qiáng)烈的近紅外-二區(qū)（NIR-II）熒光，并展示了其強(qiáng)大的酶樣活性。相比于Au22團(tuán)簇,，本研究開發(fā)的Au21Cu1團(tuán)簇在抗氧化、過氧化氫酶樣和超氧化物歧化酶樣活性方面分別高出18倍,、90倍和3倍,，且熒光損失可以忽略不計(jì),。這些團(tuán)簇還可以用于監(jiān)測(cè)順鉑誘導(dǎo)的腎損傷，并在NIR-II光片顯微鏡下實(shí)現(xiàn)三維可視化,。此外,，這些團(tuán)簇在順鉑處理的小鼠模型中可以抑制氧化應(yīng)激和炎癥，尤其在腎臟和大腦中,。近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)

圖1. Au22團(tuán)簇的性質(zhì)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用示意圖

如圖2所示,，Au22(SG)18團(tuán)簇的配體是谷胱甘肽，由一個(gè)近似橢圓形的Au8核心,、兩個(gè)三聚體和兩個(gè)四聚體構(gòu)成,，是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)模型。透射電子顯微鏡（TEM）圖像和尺寸分布直方圖顯示,，Au22團(tuán)簇的核心尺寸約為1.5nm,，表明其具有極小的尺寸。動(dòng)態(tài)光散射（DLS）測(cè)定表明,，在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中,，Au22的平均動(dòng)力學(xué)尺寸為2.01nm，略大于核心尺寸,，這是由于外部配體的伸展造成的,。電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS）顯示了一個(gè)明顯的質(zhì)荷比（m/z）峰位于約1968.44，對(duì)應(yīng)于[Au22(SG)18-5H]5?的計(jì)算分子量,，這表明已成功獲得了精確到原子水平的Au22團(tuán)簇,。Au22團(tuán)簇的特征吸收峰位于515nm，發(fā)射中心位于925nm,，通過配體和金核之間的電荷轉(zhuǎn)移,，其尾部寬度延伸至1300nm。Au22團(tuán)簇的量子產(chǎn)率約為0.16%,，略低于Au25(GSH)18但高于其他材料,。Au22團(tuán)簇在808nm連續(xù)激發(fā)下表現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性，并且在去離子水和PBS中的熒光穩(wěn)定性也很好,，可以保持一個(gè)星期,。此外，Au22團(tuán)簇在300至900nm的范圍內(nèi)也表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性,，一個(gè)星期內(nèi)沒有明顯的信號(hào)損失,。這些結(jié)果表明，Au22團(tuán)簇具有精確到原子水平的定義,、極小的尺寸,、優(yōu)異的水溶性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，非常適合進(jìn)一步應(yīng)用,。同時(shí),，也使用了原子工程方法來改性Au22團(tuán)簇,，引入了不同的金屬元素。

圖2. 金團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)表征

Au21Cu1團(tuán)簇具有單銅原子活性位點(diǎn),，表現(xiàn)出較高的催化活性,，催化過程如圖3A所示。吸附劑分子和自由基的吸附強(qiáng)度是催化反應(yīng)的先決條件,。利用密度泛函理論（DFT）測(cè)試了Au22和Au21Cu1對(duì)不同物種的吸附能（Eads）以研究其對(duì)反應(yīng)性氧和氮物質(zhì)的吸附能力,。同時(shí)，還通過2,2'-聯(lián)苯二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）方法評(píng)估了金團(tuán)簇的抗氧化特性以確定其生物催化酶樣活性,。實(shí)驗(yàn)證明,，Au21Cu1團(tuán)簇的抗氧化活性比Au22團(tuán)簇高18倍,，顯示出出色的抗氧化活性,。此外，Au21Cu1團(tuán)簇表現(xiàn)出對(duì)H2O2的高催化降解能力,，具有類過氧化氫酶樣催化活性,。進(jìn)一步驗(yàn)證顯示，Au21Cu1團(tuán)簇在ONOO?的自由基清除能力方面也表現(xiàn)出較高的效率,，相對(duì)于純的Au22和其他金屬摻雜團(tuán)簇,，具有更高的清除能力。因此,，Au21Cu1團(tuán)簇在Au22團(tuán)簇中引入了銅單原子活性位點(diǎn),，從而提升了多種酶樣催化活性。

圖3. 金團(tuán)簇的酶樣活性

圖4的DFT計(jì)算研究了Au21Cu1團(tuán)簇的電子特性,，發(fā)現(xiàn)Cu摻雜在團(tuán)簇的活性位點(diǎn)上后團(tuán)簇具有更高的過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性,。Cu與Au原子的相似性保證了Cu-S鍵的結(jié)合非常緊密，Cu在催化過程中容易與外部電子交換并形成鍵,。Cu摻雜引入了以前未被識(shí)別的能級(jí),，表明了其在催化活性中的作用。此外,，Au21Cu1團(tuán)簇顯示出更高的催化活性和抗氧化活性,，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力支持。

圖4. 金團(tuán)簇的DFT計(jì)算研究

圖5表明Au22團(tuán)簇在近紅外-II光譜下能實(shí)現(xiàn)腎臟損傷的3D可視化,，并能在注射后20到120分鐘內(nèi)區(qū)分和監(jiān)測(cè)急性腎損傷（AKI）,。這歸功于其高靈敏度、高特異性和高熒光強(qiáng)度,。因此,，Au22團(tuán)簇顯示出用于臨床診斷和監(jiān)測(cè)AKI相關(guān)疾病的巨大潛力。

圖5. NIR-II光譜下的光片顯微鏡成像以及金團(tuán)簇的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程

圖6描述了在體外實(shí)驗(yàn)中對(duì)Au22和Au21Cu1團(tuán)簇進(jìn)行的生物活性測(cè)試,。結(jié)果顯示,，這兩種團(tuán)簇對(duì)人腎小管細(xì)胞和小鼠微膠質(zhì)細(xì)胞幾乎沒有毒性,，并且可以有效降低氧化應(yīng)激水平。實(shí)驗(yàn)還模擬了腎損傷對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響,，并發(fā)現(xiàn)金團(tuán)簇可以減輕神經(jīng)炎癥,，通過調(diào)節(jié)TLR4表達(dá)來實(shí)現(xiàn)這一效果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金團(tuán)簇在治療腎損傷和相關(guān)疾病方面具有良好的生物活性和潛力,。

圖6. 使用金團(tuán)簇體外治療順鉑誘導(dǎo)的急性腎損傷

為了揭示Au22團(tuán)簇的生物活性,，圖7選擇了順鉑誘導(dǎo)的急性腎損傷（AKI）作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀KI表現(xiàn)為腎功能下降,，引發(fā)缺血性損傷,，伴隨嚴(yán)重的氧化應(yīng)激和炎癥，導(dǎo)致高死亡率以及對(duì)其他器官如大腦的并發(fā)癥,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,，順鉑誘導(dǎo)的AKI在一段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致嚴(yán)重的腎損傷，而在金團(tuán)簇干預(yù)后,，腎功能得到顯著恢復(fù),。腎功能指標(biāo)如肌酐和尿素氮的水平顯示出明顯的改善，與此同時(shí),，蛋白尿的情況也呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì),。組織病理學(xué)染色進(jìn)一步證實(shí)了順鉑引起的嚴(yán)重腎毒性，而金團(tuán)簇的干預(yù)能夠明顯改善腎組織的病理學(xué)表現(xiàn),。氧化應(yīng)激和炎癥水平的指標(biāo)也顯示,，金團(tuán)簇對(duì)抗氧化應(yīng)激和炎癥具有顯著的保護(hù)作用，有助于腎臟的局部保護(hù),。這些實(shí)驗(yàn)證明,，Au22團(tuán)簇具有對(duì)腎臟的保護(hù)作用，通過清除氧化應(yīng)激物質(zhì)和減少炎癥反應(yīng),，促進(jìn)了腎功能的恢復(fù),。

圖7. 金團(tuán)簇治療前后腎臟內(nèi)的氧化應(yīng)激和炎癥水平

圖8講述了腎臟疾病可能導(dǎo)致多器官功能障礙，特別是與大腦之間存在緊密聯(lián)系,。順鉑誘導(dǎo)的急性腎損傷而產(chǎn)生的有害分子可對(duì)大腦產(chǎn)生影響,，消耗掉大腦內(nèi)源性的抗氧化物質(zhì)。Au21Cu1團(tuán)簇可以降低大腦中的有害分子含量,，恢復(fù)抗氧化酶的水平,，顯示出對(duì)活性氧的清除能力。對(duì)大腦中神經(jīng)元,、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的研究表明,，在急性腎損傷后，神經(jīng)元數(shù)量減少，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞被激活,。Au22和Au21Cu1團(tuán)簇的干預(yù)能夠恢復(fù)大部分這些神經(jīng)細(xì)胞,。同時(shí)，團(tuán)簇的干預(yù)也可以緩解由急性腎損傷引起的神經(jīng)炎癥反應(yīng),。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了Au22團(tuán)簇作為酶模擬劑對(duì)氧化應(yīng)激和炎癥相關(guān)疾病具有顯著的影響,。

圖8. 金團(tuán)簇治療前后大腦中的氧化應(yīng)激和炎癥水平

此外還討論了急性腎損傷（AKI）對(duì)大腦的影響，提出了可能的機(jī)制,，包括外周炎癥,、氧化應(yīng)激、以及與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的色氨酸-酮恩酸代謝通路失調(diào),。圖9中實(shí)驗(yàn)證實(shí)了順鉑誘導(dǎo)的AKI會(huì)導(dǎo)致炎癥因子和活性氧增加,，引發(fā)炎癥、氧化應(yīng)激,、血管損傷和細(xì)胞凋亡,。此外，順鉑也會(huì)激活TLR4,，進(jìn)一步促成AKI的發(fā)病和發(fā)展,。研究發(fā)現(xiàn),，Au22團(tuán)簇通過抑制膠質(zhì)細(xì)胞活化,、清除活性氧并減輕炎癥，保護(hù)了腦部,。作者還提出了代謝性小分子可能在腎腦相互作用中發(fā)揮作用的假設(shè),，證明了它們?cè)贏KI引起的色氨酸-犬尿氨酸代謝通路中的調(diào)節(jié)作用。

圖9. 金團(tuán)簇在急性腎損傷中的腎腦相互作用

總的來說,，本研究報(bào)告了一種原子工程方法,，在原子精度的Au22團(tuán)簇中創(chuàng)建了一個(gè)銅單原子活性位點(diǎn)，具有酶模擬活性且不會(huì)失去熒光,。相比純的Au22團(tuán)簇,，Au21Cu1團(tuán)簇通過引入銅單原子活性位點(diǎn)，其抗氧化活性提高了18倍,。此外,，Au21Cu1團(tuán)簇的CAT樣活性和SOD樣活性分別比Au22團(tuán)簇高90倍和3倍。密度泛函理論計(jì)算表明,，Au21Cu1團(tuán)簇由于失去的電子態(tài)具有強(qiáng)大的催化活性,。實(shí)時(shí)熒光成像顯示金團(tuán)簇可以實(shí)現(xiàn)早期疾病監(jiān)測(cè)行為。生物實(shí)驗(yàn)證明,，Au22團(tuán)簇可以抑制受損腎臟和大腦中的氧化應(yīng)激和炎癥水平,。最后，超小金團(tuán)簇可以通過腎臟清除快速排泄，顯示出在高劑量下無毒性,?？偟膩碚f，Au22團(tuán)簇可以是一個(gè)生物安全,、高效且多功能的平臺(tái),，通過原子工程開發(fā)具有NIR-II熒光和酶催化活性的多功能試劑。此外,，Au22團(tuán)簇在實(shí)時(shí)成像和早期干預(yù)急性腎損傷等氧化應(yīng)激和炎癥相關(guān)疾病方面顯示出巨大潛力,，并有望進(jìn)行臨床應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

Huizhen Ma, et al. Bioactive NIR-II gold clusters for three-dimensional imaging and acute inflammation inhibition. Science Advances. 2023