成都生物所在体外和体内铜离子特异性识别和去铜毒的仿生多功能诊疗一体化纳米粒子研究取得新进展

　　

体内铜离子的异常积累会造成组织损伤，并且与诸多疾病的病理过程密切相关（如威尔逊氏病、阿尔茨海默症、帕金森症、癌症和角膜色素沉着等）。因此，监测内源性铜和外源性铜并将其维持在正常水平是早期诊断和治疗各种铜离子异常积累相关疾病的关键步骤。需要注意的是，同时实现体内外铜离子的识别，清除体内多余铜离子并逆转高浓度铜诱导的组织损伤是一个巨大的挑战。

自然界中，细胞团簇形式的小球藻可以通过它们单细胞表面的吸附位点（多糖、氨基酸等）吸附如铜离子和铬离子等的重金属离子，最终实现水体环境中的重金属离子清除。因此，受到小球藻吸附重金属离子行为的启发，我们合成了由多个环糊精单元构成的纳米海绵（聚环糊精），这种纳米海绵类似于小球藻细胞团簇的主体细胞，然后作者通过主客体识别作用将具有聚集诱导发光特性且具有金属离子配位点的天然生物活性物质槲皮素装配进纳米级松散聚集体中形成一种仿生多功能诊疗纳米粒子（PQNPs）。聚环糊精和槲皮素组成的仿生纳米粒子不但增加了槲皮素的生物利用度，而且通过环糊精空腔对槲皮素分子运动的限制实现了槲皮素的聚集诱导发光行为；更重要的是，聚环糊精是松散的球形结构，并且槲皮素只是被部分包裹在环糊精单元的空腔中，这使得铜离子更容易贯穿整个聚环糊精纳米粒子去接触铜离子捕获位点。

为了验证这种首次基于主客体识别作用提出的仿生诊疗纳米粒子在铜离子特异性识别和解铜毒中的能力，我们系统地研究了该仿生纳米粒子在体内外铜离子识别、清除和解铜毒中的能力。

在体外铜离子识别和解铜中毒：PQNPs可以作为一种纳米探针用于水溶液中铜离子的高效检测（响应时间< 5 s；检测限低至6.499 nM），该检测限在现有基于荧光的铜离子传感研究中处于一流水平，并且具有优良的抗干扰性；在基于PQNPs的纸质传感器上，通过肉眼可以瞬间检测水中和血清中的铜离子，自然光下裸眼检测限分别为50 μM和500 μM，在紫外灯下（365 nm）的裸眼检测限分别为30 μM和200 μM，这个值要优于一些市售的铜离子纸质传感器，例如LOHAND SPOOLOGIC和MN91304铜测试纸（LOD为157.30 μM）；同样地，PQNPs可以作为细胞内铜离子成像的生物诊断剂。在体外解铜毒中：基于高铜诱导损伤的两种细胞模型，经过PQNPs处理之后的铜损伤细胞活力显著增加，并且铜损伤细胞的细胞活力随着PQNPs浓度的增加而增加；同时，经过PQNPs处理之后两种高铜诱导损伤细胞模型中的活性氧（Reactive oxygen species，ROS）显著降低，并且呈现剂量依赖性。体内铜离子成像和解铜毒：黑壳虾和小鼠体内铜离子荧光成像结果表明PQNPs可以作为一种体内诊断剂用于生物体内铜离子识别，这对于控制外源性铜离子摄入和监测体内铜离子变化具有重要意义。在铜中毒小鼠模型中，给予PQNPs（30和80 mg/kg体重）后可以显著改善高铜诱导的体重减轻症状，并且PQNPs治疗后肝、肾、心和脾的脏器指数都接近于空白组；此外，PQNP治疗后有效地阻止了与肝和肾损伤相关血清酶和生化标志物（ALT、AST、BU、CREA）的增加，表明PQNPs干预后可以逆转高铜对肝脏和肾脏的损伤，并且H&E染色结果同样说明给予PQNPs治疗后显著减轻了高铜诱导的病理特征；NLR（中性粒细胞与淋巴细胞比率）、PLR（血小板与淋巴细胞比率）、RDW、WBC及其亚型计数等指标已被证实与炎症反应有关，PQNPs治疗后可明显抑制这些血清炎症标志物的变化，这说明PQNPs显著下调了高铜诱导的炎症表达；最后，通过血液、尿液和粪便中铜离子含量的变化说明了PQNPs可以降低血清中的铜浓度，而PQNPs处理后小鼠尿液和粪便中的铜含量明显高于模型组，这些结果表明PQNPs可以加速体内铜离子代谢。到目前为止，这是首次关于铜离子异常积累相关疾病的诊疗纳米颗粒的研究。更有意义的是，通过小鼠脑部荧光成像首次发现了聚环糊精具有穿透血脑屏障的能力，这对于治疗脑部铜离子异常积累相关疾病及其它脑部疾病具有重要意义。

综上而言，本研究所制备的仿生多功能诊疗纳米颗粒具有组成简单、诊疗功效显著和治疗模式新颖的优点，为临床上发展铜异常积累相关疾病的疗法提供了一条有趣的途径。该研究以“Chlorella Vulgaris-Inspired Versatile Theranostic Nanoparticles for Specific Recognition and Detoxification to Copper (II) In Vitro and In Vivo”为题发表在材料学国际顶级期刊Advanced Functional Materials（IF 18.5）上（全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407241）。该文章的通讯作者是中国科学院成都生物研究所生物资源利用中心李帮经研究员，四川大学高分子研究所张晟教授；第一作者是中国科学院成都生物研究所博士研究生祁绪伟。该研究得到了国家重点研发计划（2023 YFE 0105600）和国家自然科学基金（Grant Nos 22277119，52273107）的资助。?

图1 用于体外和体内铜离子特异性识别和去铜毒的仿生多功能诊疗纳米粒子（ PQNPs）的设计和应用