青岛科技大学朱之灵/复旦华山医院杨冬琴《AM》：理性设计级联纳米酶用于炎症性肠病治疗

【研究背景介绍】

炎症性肠病（IBD）是一种无法治愈、反复发作的慢性胃肠道疾病，多发于青壮年。目前的临床治疗方法疗效有限，而且会引起严重的并发症、耐药性和长期免疫相关不良反应。纳米催化医学的进步为调控活性氧（ROS）相关炎症的氧化还原稳态提供了创新策略。其中，纳米酶是最具潜力的IBD治疗方案之一，能缓解肠道氧化应激、抑制炎症对患者肠道菌群的损害。根据IBD的特殊病灶位置和炎症结肠组织的特点，口服是最佳的给药方式。但是，口服给药需要纳米药物具有高耐酸性和针对正电蛋白质富集的发炎粘膜的靶向特异性。虽然已有相关研究报道了具有上述特征的纳米酶可用于IBD的治疗，但大多数是通过经验或试错方法设计获得，需要较长的开发时间和较高的实验成本。更重要的是，由于口服治疗IBD纳米酶所需的多特征之间存在着相互制约的问题，因此难以在设计层面精准寻找最佳IBD口服治疗的纳米药物。

基于量子力学/热力学方法的分子模拟，不仅能够根据纳米酶催化反应基元步骤的活性描述符探索出催化活性相关的材料特征阈值，以高维度进行大规模的材料筛选，而且可以在原子尺度上解析材料的构-效关系，从多方面对材料性能进行综合考量，以获得多性能需求的最佳匹配材料。

【论文概要】

近日，青岛科技大学朱之灵副教授和复旦大学华山医院杨冬琴副教授合作在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Rational Design of Orally Administered Cascade Nanozyme for Inflammatory Bowel Disease Therapy”的研究论文。该研究建立了一种九级高通量筛选策略，以满足多方面的IBD治疗需求。筛选层包括材料稳定性、放射性、溶解度、肠道微生物安全性、仿生天然酶元素、中间体前线分子轨道（iFMO）、反应能垒、负Zeta电位和耐酸性，可以实现纳米酶药物的理性设计。此外，该策略还提出了筛选抗氧化级联超氧化物歧化酶-过氧化氢酶（SOD-CAT）纳米酶活性的热力学判据，从Materials Project数据库（>150000种材料）中筛选出超过500种稳定且生物安全的候选类SOD-CAT纳米酶材料。最佳材料是Ni₃S₄，其类酶活性分别是天然SOD和CAT的3.13倍和1.80倍，能够靶向炎症肠道、减轻炎症、修复受损肠道屏障、恢复肠道菌群，以及调节肠道微环境。

总而言之，该研究为IBD口服治疗探索出了一种全新且高效的Ni₃S₄纳米酶，并且提供了一种基于材料大数据和多种疾病特征的数据驱动材料设计新方法，有望加速纳米药物发现和临床转化，为理性设计纳米药物提供新一代的研究范例。

图1 IBD纳米酶疗法的机理及预测的多特征纳米酶的九级高通量筛选框架

论文第一作者为青岛科技大学材料学院硕士研究生于懿鑫与复旦大学华山医院博士研究生赵现光，通讯作者为青岛科技大学材料学院朱之灵副教授与复旦大学华山医院杨冬琴副教授。上述工作得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金支持。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1002/adma.202304967