Em um relatório recente, Yufeng Liu e uma equipe de pesquisadores interdisciplinares na China desenvolveram uma cascata de nanozimas integrada para eliminar o excesso de espécies reativas de oxigênio (ROS; radicais livres de oxigênio). A nanozima mimetizou a superóxido dismutase (um grupo de enzimas) e incorporou uma estrutura metal-orgânica (MOF) à base de manganês (Mn) para transformar radicais de oxigênio em peróxido de hidrogênio (H ₂ O ₂ ) Usando experimentos em laboratório e in vivo, a equipe mostrou o potencial de eliminação de ROS das nanozimas em cascata integradas. Como prova de conceito, eles aliviaram duas formas de distúrbio inflamatório intestinal (DII) - colite ulcerativa e doença de Crohn usando nanozimas em cascata como tratamentos eficazes. O estudo forneceu um novo método para construir sistemas em cascata semelhantes a enzimas e ilustrar a promessa de sua terapia eficiente para tratar IBD in vivo. O trabalho agora está publicado em Avanços da Ciência .

Durante as reações catalíticas em cascata que ocorrem em organismos vivos, várias enzimas são combinadas dentro de compartimentos subcelulares para transdução de sinal precisa e metabolismo eficaz. Essas reações em cascata confinada são vantajosas em comparação com as reações convencionais de múltiplas etapas devido a barreiras de difusão reduzidas e concentrações locais aumentadas de intermediários para economia de átomos melhorada e reações no total. Os cientistas têm feito esforços substanciais para imitar esses sistemas em cascata em andaimes, mas seu alto custo e baixa estabilidade limitaram amplas aplicações práticas. Como resultado, pesquisadores exploraram imitações de enzimas para entender e construir reações em cascata no laboratório. Nesse trabalho, Liu e al. detalhou um sistema de reação em cascata à base de nanozima de componente único com alta atividade e demonstrou seu papel durante a terapia in vivo de espécies reativas de oxigênio (ROS) - doença inflamatória intestinal associada (DII).

Projeto, síntese e caracterização do arcabouço enzimático

A equipe projetou e sintetizou uma nanozima em cascata mimética de superóxido dismutase (SOD) e catalase (CAT) e designou-a como Pt @ PCN222-Mn. Para construir o andaime, eles introduziram uma porção semelhante a SOD de porfirina de manganês (Mn) (III) e uma nanopartícula de platina semelhante a CAT dentro de uma estrutura orgânica de metal à base de zircônio (Zr) em nanoescala (MOF) chamada PCN222. O construto integrado (Pt @ PCN222-Mn) mostrou maior atividade de eliminação de ROS para proteger camundongos de IBD relacionado a ROS, uma doença crônica incurável ainda, e, assim, ampliar o potencial das nanozimas em cascata para aplicações biomédicas in vivo.

Durante os experimentos, Liu et al. confirmou a síntese bem-sucedida das construções preliminares à base de manganês usando ressonância magnética nuclear, Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e medidas espectroscópicas de ultravioleta visível. A equipe sintetizou o componente contendo um MOF em nanoescala e confirmou sua formação com microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). Os cientistas desenvolveram três nanozimas em cascata e as denominaram Pt @ PCN222-Mn-1, Pt @ PCN222-Mn-3 e Pt @ PCN222-Mn-5, respectivamente. Destes, Pt @ PCN222-Mn-5 teve uma área de superfície maior em comparação com outras nanozimas anti-ROS investigadas até agora.

Investigando a atividade catalítica das nanozimas em cascata

Buscando radicais de oxigênio ( ^• O ₂ ^- ) é a etapa inicial da reação em cascata anti-ROS, portanto, a equipe investigou a atividade catalítica das construções sintéticas para monitorar sua capacidade de eliminar os radicais de oxigênio da mesma forma. O trabalho destacou o papel fundamental do manganês na porfirina para imitar atividades semelhantes à superóxido dismutase (SOD) das diferentes construções enzimáticas, onde os construtos Pt @ PCN222-Mn-5 mostraram a maior atividade semelhante a SOD entre os mimetizadores de enzima. A equipe confirmou os resultados usando espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR).

Como uma segunda etapa crucial na cascata de eliminação de ROS em ambientes biológicos, a enzima CAT (catalase) catalisou a decomposição do peróxido de hidrogênio (H ₂ O ₂ ) em água e oxigênio. Liu et al. portanto, monitorou as atividades semelhantes às do CAT das nanozimas, monitorando o oxigênio gerado pela decomposição do peróxido de hidrogênio. Como antes, Pt @ PCN222-Mn-5 mostrou a maior atividade semelhante a CAT entre os mimetizadores de enzima baseados em MOF. Com base nos resultados, Liu et al. confirmou a atividade semelhante a SOD como resultado da fração ligada ao manganês do construto de enzima, enquanto as nanopartículas de platina integrais foram principalmente responsáveis ​​pela atividade semelhante ao CAT.

Enzima Focus Pt @ PCN222-Mn-5 e terapia antiinflamatória in vivo

Para compreender totalmente a atividade da nanozima em cascata Pt @ PCN222-Mn-5, a equipe investigou sua atividade enzimática semelhante a SOD e CAT e observou efeitos sinérgicos pronunciados para a última. A equipe escolheu a nanozima para investigações adicionais e testou sua funcionalidade com uma linha celular durante estudos de citotoxicidade. A uma concentração abaixo de 80 µg / mL, a nanozima não mostrou qualquer citotoxicidade e demonstrou excelente potencial de varredura de espécies reativas de oxigênio.

Com base nos resultados experimentais, Liu et al. conduziu terapias in vivo para tratar a colite ulcerativa (UC) e a doença de Crohn (CD) em modelos de camundongos da doença. Uma vez que a UC é uma forma de doença inflamatória intestinal que normalmente é acompanhada por espécies reativas de oxigênio superproduzidas, os cientistas testaram os efeitos terapêuticos de Pt @ PCN222-Mn-5 junto com medicamentos existentes para o tratamento de IBD. A equipe administrou o tratamento via injeção intraperitoneal a cada camundongo e observou os efeitos terapêuticos bem-sucedidos de Pt @ PCN222-Mn-5 para aliviar o estado de doença UC em camundongos. A equipe otimizou as doses da nanozima em cascata usando vários grupos de tratamento e descobriu que a enzima de interesse era a mais favorável. Quando eles exploraram o CD de forma semelhante, outro tipo de IBD usando um modelo de camundongo induzido por doença, a estratégia de tratamento indicou maior eficácia para nanozimas em cascata em comparação com medicamentos tradicionais de pequenas moléculas usados ​​no tratamento de DII.

Desta maneira, Yufeng Liu e colegas desenvolveram uma nanozima integrada para catalisar reações em cascata e eliminar espécies reativas de oxigênio (ROS). A nanozima integrada tinha dois sítios ativos separados espacialmente para imitar a superóxido dismutase (SOD) e a catalase (CAT). Usando experimentos em laboratório, eles mostraram a excelente atividade de eliminação de ROS da nanozima em cascata, sua excelente biocompatibilidade e boa dispersibilidade aquosa. A equipe estabeleceu um modelo animal inflamatório para testar a capacidade anti-ROS da nanozima em cascata em um organismo biológico e determinou seu potencial terapêutico superior para modelos de colite ulcerativa (UC) e doença de Crohn (CD) de distúrbio inflamatório intestinal (DII). A equipe otimizou a concentração da nanozima para alcançar o alívio efetivo da DII em modelos animais. O trabalho mostrou excelentes atividades de eliminação de ROS para tratamento inflamatório e fornece um método promissor para construir nanozimas com múltiplos sítios ativos para futuras aplicações em biomedicina.

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