​李瑞宾团队Nano Today报道磷酸纳米酶降解细菌内毒素新方法

苏州大学国重室李瑞宾研究团队致力于颗粒物毒理与健康的研究，解析了多种金属基和碳基纳米颗粒的毒理学机制，发现纳米颗粒通过类酶催化反应引发溶酶体介导的毒性效应（炎性响应、铁死亡）。前期研究中发现SnSe能够模拟脱氢酶干扰细胞三羧酸循环导致细胞死亡（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3618）；MoS2具有类脂氧合酶活性催化不饱和脂类的过氧化诱导细胞铁死亡（Nat. Commun., 2020, 11, 3484）；金属掺杂石墨烯具有类NADPH氧化酶活性诱发细胞免疫响应（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 19602）。该研究发现非磷酸水热法体系合成的CeO2具有类磷酸酶活性，并将其应用于内毒素的催化灭活。CeO2能够催化水解内毒素表面磷酸基团，显著减弱了内毒素引发的免疫响应。CeO2纳米材料构建的催化灭活填充柱可以去除水体样品中90%的内毒素分子，与商品化吸附树脂相比，其处理容量提高了16倍。此外，通过将CeO2涂覆在HEPA过滤膜表面，该研究首次实现了对空气气溶胶中内毒素的灭活，效率高达98%。该研究成果拓宽了纳米类酶在环境科学领域的应用，为生物气溶胶灭活提供了新思路。相关成果以“Engineering Catalytic Dephosphorylation Reaction for Endotoxin Inactivation”为题发表于Nano Today杂志。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013222000834.

图1 类磷酸酶CeO2 NPs 催化灭活细菌内毒素降低免疫毒性

基于CeO2的磷酸酶催化活性，特异性催化降解内毒素核心毒力分子脂质A上的磷酸基团，从而降低了内毒素与细胞表面 TLR4 受体的相互作用，减弱了内毒素的免疫毒性，实现环境样品中内毒素的催化灭活。

细菌内毒素（又名脂多糖，LPS）是革兰氏阴性菌外膜上的毒素因子，可引发发热、内毒素休克、脓血症等疾病。据WHO报道2017年全球仍然有4890万人因内毒素罹患脓血症疾病，其中1100人因此而死亡，这其中85%以上的病例出现在欠发达地区。内毒素分子由脂质A分子及多糖结构组成，其环境稳定性很好，对高温和酸碱环境有极强的耐受性。传统的膜分离/吸附法虽然能实现对液体样本中内毒素的高效去除，但普遍存在成本高、效率低的问题，目前尚没有商品化的方法可以实现对空气中内毒素的去除。针对这一难题，李瑞宾研究团队首次利用CeO2的类磷酸酶活性设计构建内毒素催化灭活体系。研究发现， CeO2 NPs不但可以催化磷酸苯二钠（DPP）、对硝基苯磷酸二钠（pNPP）等小分子的去磷酸反应，还可以催化核酸、磷酸多肽和脂多糖等生物大分子的去磷酸化反应（图2），特异性催化P-O键的水解。通过催化降解内毒素表面的磷酸基团，显著降低了LPS分子与巨噬细胞（THP-1）表面TLR4的相互作用，进而降低了NF-κB通路的激活，减少IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-12等炎症因子的释放（图3）。基于该反应，李瑞宾团队设计合成了填充CeO2 NPs的水凝胶吸附柱及表面修饰的HEPA滤膜：该水凝胶柱可以高效降解胰岛素样品中的内毒素分子，去除率可达<0.01 EU/μg蛋白；表面修饰10μg/mm2 CeO2的空气滤膜可以灭活空气中98%的内毒素活性。综上所述，该研究首次以催化灭活的策略降解环境中的内毒素分子，为生物气溶胶的防控提供了新思路。

图2 CeO2 NPs 的去磷酸化反应

A）碱性磷酸酶（AKP）与CeO2 NPs的去磷酸催化活性对比；B)MALDI-TOF-MS鉴定多肽的去磷酸化产物；C）LC-MS鉴定pNPP的去磷酸化产物。

图3 CeO2处理内毒素的免疫毒性

A）利用磷酸染色试剂盒，对经CeO2催化灭活后的脂多糖（de-LPS）中的磷酸基团进行相对定量，以Fe3O4纳米颗粒为阴性对照（NC-LPS）；B）通过鲎试剂法对催化灭活的内毒素进行定量检测，内毒素中的脂质A分子特异性的与鲎试剂结合发生显色反应，表现为样品从无色变为玫红色；C）Western-blot法表征NF-κB信号通路上关键蛋白的表达量；D）ELISA检测细胞炎症因子的释放。

该论文由苏州大学欧洲杯官网李瑞宾教授团队、国家纳米科学中心高兴发教授团队、法国蒙彼利埃大学Frédéric Jaouen教授和法国SOLEIL同步辐射光源Jean-Jacques Gallet团队共同完成。高梦副研究员和刘曦博士为该论文的共同第一作者，李瑞宾教授为通讯作者。该研究得到了科技部政府间国际科技创新合作重点专项（2018YFE0120400, 2020YFA0710700）、国家自然科学基金（21976126）及江苏省杰出青年基金（BK20211545）等项目的资助。