王铁、陈旭Chem：细胞内的“扫地机器人”，主动清除活性氧

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活性氧（ROS）是体内一类氧的单电子还原产物，包括还原产物超氧阴离子（O₂^-）、过氧化氢（H₂O₂）、羟基自由基（•OH）等。在生物有机体中，ROS处于正常水平时，在细胞信号传导、病原体防御和体内平衡起着关键的作用。然而，大量的ROS会通过引起脂质过氧化、蛋白质变性和DNA损伤而对细胞产生不利影响。这些不良反应可能导致炎症、癌症等许多人类疾病。基于这些原因，目前已经研究了多种纳米材料用于清除体内ROS。然而，大多数现有的纳米清除剂的共同缺点是不能运动，使得它们不能在细胞中的不同位置主动清除ROS，因此限制了其清除效率。

一种理想的ROS清除剂除了具有高效清除活性，同时也需要具备低生物毒性。为了提高ROS清除效率，大多数报道中，主要是通过增加清除剂的用量来提高清除效率。然而，纳米材料对细胞的毒性来源于材料本身，增加剂量的同时会影响细胞活力。因此，在低剂量下实现高效ROS的清除成为巨大的挑战。近日，中国科学院化学研究所的王铁研究员和北京化工大学的陈旭教授联合报道了一种新的策略，通过在细胞中引入可移动的中空纳米粒子以主动去除细胞内的ROS，实现了纳米清除剂在低剂量下对ROS的高效清除。以负载有氯化血红素的介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-MSNs）作为模型，以细胞在氧化应激下内源性产生的大量ROS为“燃料”，以氯化血红素催化分解ROS产生的化学能为动力来源，hemin-MSNs就像是细胞内的“扫地机器人”一样，可以在运动过程中实现对ROS的高效清除（图1）。

图1. 可移动的纳米粒子（hemin-MSNs）作为一种高效的ROS清除剂。

为了探究壁厚对其运动和清除效率的影响，文中制备了三种类型的hemin-MSNs，分别是负载氯化血红素的实心介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-SMSNs），负载氯化血红素的厚壁介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-TMSNs）和负载氯化血红素的窄壁介孔二氧化硅纳米粒子（hemin-NMSNs）并研究了它们的运动行为。纳米粒子的平均速度和扩散系数随着壁厚的减小而增加，hemin-NMSNs的平均运动速度比hemin-SMSNs的平均速度高3.5倍（图2）。

图2. Hemin-MSNs的表征和运动行为。图片来源：Chem

Hemin催化ROS是一个放热反应，作者认为纳米粒子的动力来源于纳米颗粒和溶剂的界面上局部温度分布不均匀而产生的不对称压力（图3）。

图3. Hemin-MSNs运动的机制。图片来源：Chem

从hemin-MSNs在细胞外ROS和细胞内ROS清除性能的研究上，均可以看出具有增强扩散的hemin-NMSNs表现出更高的ROS清除性能，优于hemin-SMSNs或hemin-TMSNs。纳米粒子在细胞内的运动轨迹上进一步证实了hemin-MSNs在细胞发生氧化应激时呈现无序运动，并且hemin-NMSNs比hemin-SMSNs的运动范围更大，运动速度更快。