需要多少头发，才能完成这一篇Cell子刊？

NanoLabs

2019-12-27

一入科研深似海，发际线也可能分分钟稳不住。头发的重要性不言而喻，那么能否作为生物医学的应用的材料呢？下面为大家介绍来自武汉大学张先正教授课题组如何将头发取之于人，用之于人！

第一作者：洪胜

通讯作者：张先正

通讯单位：武汉大学

研究亮点：

1. 基于人发中天然黑色素颗粒与金属离子结合模拟天然酶；

2. 构建了高效、稳定、低成本的酶替代品；

3. 不同M-NMPs具有不同类酶活性，应用到不同的生物医学方向。

研究背景：

在所有生命活动中都起着至关重要作用的天然酶，由于其卓越的性能已被广泛应用于各个领域。然而，天然酶的高成本和低稳定性严重地限制了其实际应用。为了克服这些缺点，在过去的几十年中，各种生物激发的纳米材料被提出作为高性能天然酶的替代品，它们具有类似酶的活性，如：MnO₂、CeO₂和Fe₃O₄等纳米粒子。尽管这些酶的替代品在生物医学中显示出巨大的潜在应用，但是低效率和不令人满意的选择性仍然限制了它们的实际应用。

通常，天然酶主要由蛋白质部分和金属辅因子部分组成。蛋白质部分，即包含官能团（例如氨基，羧基，羟基和吲哚基）的肽链，可以吸附底物并提供活性位点，以方便底物结合。金属辅因子部分通常是金属离子或金属络合物，在电子传输中起重要作用。两者对于共同实现酶的催化活性都是必不可少的。如POD的卟啉铁，SOD的Cu和Mn。

众所周知，人发中的黑色素以黑色素颗粒的形式存在，据报道含有大量的氨基、羧基和吲哚基等官能团。在之前的研究中，使用碱性降解法从人头发中提取了天然黑色素颗粒（NMPs），同时也证实了这些官能团的存在。

成果简介：

有鉴于此，武汉大学张先正教授课题组通过从人的头发中提取NMPs与金属离子结合在一起以模拟天然酶。一方面，NMPs中丰富的功能基团作为天然酶中的蛋白质部分，可以吸附底物，为底物结合提供活性位点。另一方面，NMPs中的金属离子也可以作为酶的金属辅因子。希望从人发中提取的金属结合NMPs（M-NMPs）能作为一种高效、稳定、低成本的酶替代品，为今后的生物医学应用提供新的视角和有用的工具。 

图1. 示意图

要点1：M-NMPs的制备与表征

研究人员通过TEM,SEM,AFM测得M-NMPs的长宽为1.2 µm X 0.3 µm，然后分别用TMB试剂检测到Fe-NMPs和Cu-NMPs具有类过氧化物酶（POD）的酶活性；使用NBT试剂，证明了Cu-NMPs具有极大的类超氧化物歧化酶(SOD)的活性，并且可以用作有效的超氧化物自由基去除剂；再使用对苯二甲酸(TA)检测类过氧化氢酶（CAT）的活性，实验表明Cu-NMPs和Mn-NMPs表现出突出的类CAT活性，可用于消除H₂O₂。

 图2. 材料制备与表征

要点2：Fe-NMPs的体内外抗菌性能

研究人员利用Fe-NMPs的类POD功能，即催化H₂0₂成羟基自由基（•OH）,并用金黄色葡萄球菌和创伤感染小鼠作为模型，实验表明Fe-NMPs在体外和体内实验中均表现出明显的抗菌性能，显示了其在抗菌和伤口愈合方面的潜在应用价值。

图3. Fe-NMPs的体内外抗菌性能

要点3. Mn-NMPs在体内和体外的放射增敏作用

研究人员考虑到Mn-NMPs具有类过氧化氢酶的功能，即催化H₂0₂成0₂，期望其能作为抗肿瘤放射治疗的放疗增敏剂。实验表明Mn-NMPs能有效缓解缺氧，且Mn-NMPs处理的细胞可以有效增强缺氧条件下的RT疗效。另外，在体内实验中，证明了Mn-NMPs可以通过分解肿瘤内的内源性H2O2提供氧气，这都表明Mn-NMPs可以作为放射增敏剂用于癌症治疗。

 图4. Mn-NMPs在体内和体外的放射增敏作用

要点4. Cu-NMPs的体内和体外抗炎作用

在人体中，有害的超氧自由基通过SOD转化为H₂O₂。然后，H₂O₂被CAT和POD进一步分解为完全无害的水。这样，这三种酶形成了完整的抗氧化链，以保护细胞免受氧化损伤。

前面已经验证了Cu-NMPs能够同时显示出抗氧化链的三种类酶活性，故期望Cu-NMPs能修复氧化应激。通过检测ROS和相关炎症因子的水平的降低，体外体内实验结果都表明，Cu-NMPs可以有效地减少炎症反应，因此可能具有应用于氧化相关疾病的潜力。

  5. Cu-NMPs的体内和体外抗炎作用

小结：

综上实验表明，基于人发的M-NMPs能够模拟天然酶并具有一定的催化活性。但作者承认该研究具有一定的局限性，比如：（1）不同种族的毛发具有不同的结构和构造，故可能具有不同的活性。在本研究中，只采用黄色人种的头发。（2）此外，还需要进一步探索其精细结构和催化机理，以更好地理解其催化机理。（3）模拟酶的选择性很重要，对该类酶体系的选择性催化能力有待提高。

综上所述，通过将不同的金属离子结合到从人发中提取的NMPs中，制备了一种新的天然酶替代物。不同的M-NMPs表现出不同的类酶活性。Fe-NMPs和Mn-NMPs分别表现出明显的类POD活性和类CAT活性。此外，Cu NMPs可以作为模拟氧化链的复合POD、SOD和CAT替代物来消除ROS。酶活性M-NMPs在生物医学领域具有潜在的应用前景，本研究为开发多功能酶替代品以满足生物医学应用的各种需求提供了新的视角。

参考文献：

Hong, S., Zhang, Q.-L., Zheng, D.-W., Zhang, C., Zhang, Y., Ye, J.-J., Cheng, H., Zhang, X.-Z., Enzyme mimicking based on the natural melanin particles from human hair, ISCIENCE

(2020).

doi: https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.100778.

课题组介绍

张先正，武汉大学化学与分子科学学院副院长，生物医用高分子材料教育部重点实验室主任。长江学者特聘教授、国家杰青基金获得者、科技部中青年领军人才。

长期从事生物医用高分子/多肽的研究，包括肿瘤诊断与治疗、药物传递、基因治疗等。已在Prog Polym Sci、Nat. Commun.、Adv Mater、JACS、Angew Chem Int Ed、Nano Lett、ACS Nano、Adv Func Mater、Biomaterials、Small等期刊发表SCI论文450多篇，论文SCI他引14000多次，H因子63。2015-2018年连续入选中国高被引学者榜单（材料科学）。参与撰写学术专著4部（共4章）。申报国内外专利20余项，部分专利已转让。

目前担任中国生物材料学会理事会常务理事，中国生物材料学会医用高分子材料分会副主任委员、中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事，中国化学会高分子学科委员会委员等。Materials Today Chemistry 主编、Materials Today、Molecular Pharmaceutics等国内外期刊编委等。