抗氧化納米材料在急性腎損傷治療中的應(yīng)用進(jìn)展

李佳蕾， 徐 昉， 廖曉輝

急性腎損傷(acute kidney injury， AKI)是一種以腎功能短期內(nèi)急速下降為主要表現(xiàn)的臨床綜合征，具有較高的發(fā)病率和病死率，據(jù)統(tǒng)計(jì)其每年導(dǎo)致全世界大約170萬(wàn)人死亡，已經(jīng)成為腎臟領(lǐng)域危險(xiǎn)性最高的疾病之一。在臨床上，AKI的主要表現(xiàn)為腎排泄功能迅速下降、尿量減少和氮代謝積累增加等[1-3]。目前已知的病理分析認(rèn)為，脂質(zhì)、核酸和蛋白質(zhì)反應(yīng)引發(fā)氧化應(yīng)激和炎癥的活性氧(reactive oxygen species， ROS)與AKI的產(chǎn)生密切相關(guān)[4]。一般來(lái)說(shuō)，健康腎臟在腎臟氧化代謝過(guò)程中產(chǎn)生的少量 ROS 是可以耐受的，沒(méi)有任何明顯副作用，但當(dāng)代謝異常時(shí)，腎臟浸潤(rùn)細(xì)胞或內(nèi)源性細(xì)胞產(chǎn)生的過(guò)量 ROS 可能會(huì)引發(fā)腎臟損傷進(jìn)而導(dǎo)致AKI發(fā)生[5]。當(dāng)前除腎透析之外，還沒(méi)有出現(xiàn)針對(duì)AKI特定的治療方法，而抑制ROS產(chǎn)生是預(yù)防 AKI的主要方法之一[6-7]。

受到小分子抗氧化劑在腎臟損傷中的應(yīng)用啟發(fā)，同時(shí)結(jié)合生物材料技術(shù)尤其是納米技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多研究人員將目光轉(zhuǎn)向納米材料。在其他疾病的治療過(guò)程中，納米材料已經(jīng)發(fā)揮極其重要作用。例如腫瘤治療領(lǐng)域，Wang等[8]設(shè)計(jì)出新型核-殼納米結(jié)構(gòu)(Ce6/Fe3O4-L)，可以有效破壞腫瘤細(xì)胞和提高免疫治療效果；在抗菌研究領(lǐng)域，Gao等[9]成功合成流體動(dòng)力學(xué)直徑約為11 nm的受到具有兩個(gè)功能區(qū)的含有13個(gè)氨基酸的肽保護(hù)的AgNPs(P-13@AgNPs)，且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證受到該納米材料保護(hù)后，AgNPs的細(xì)胞毒性明顯降低，因此具有良好的抗菌活性；在止血研究領(lǐng)域，Sundaram等[10]采用溶膠-凝膠法合成粒徑為(14±3)nm的nBG顆粒，使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和傅立葉變換紅外吸收光譜儀(fourier transform infrared spectroscopy， FTIR)制備和研究出2%Ch-5%nBG水凝膠，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，在體外凝血和體內(nèi)主要器官損傷中能更快形成凝血塊。

AKI病例中高效的抗氧化治療藥物一般需要滿足三個(gè)條件，即高抗氧化活性、高腎臟靶向性和高生物相容性[11-12]。而納米材料相對(duì)于一般小分子類(lèi)藥物而言，具有更微小的粒子，能夠更容易穿過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)屏障，和更長(zhǎng)時(shí)間存活，已經(jīng)成為AKI相關(guān)抗氧化治療的關(guān)鍵手段，國(guó)內(nèi)外研究者也已經(jīng)取得很多重要的研究成果。

1 抗氧化納米材料在AKI治療中的應(yīng)用

1.1多金屬氧酸鹽(polyoxometalates， POMs)

POMs是由金屬離子通過(guò)氧連接形成的一類(lèi)多金屬氧簇化合物。Ni等[13]通過(guò)一種快速、低成本和大規(guī)模的方法合成出納米團(tuán)簇均勻且平均直徑約為1 nm的鉬基多金屬氧酸鹽，這些POMs納米團(tuán)簇含有Mo5+和Mo6+兩種鉬離子價(jià)態(tài)，且其中的部分Mo5+在被氧化時(shí)會(huì)消耗ROS并轉(zhuǎn)變?yōu)镸o6+狀態(tài)，因此POMs具有清除有害ROS的能力[14-15]。同時(shí)POMs的水合尺寸低于10 nm，滿足腎臟過(guò)濾的閾值，能夠通過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)屏障，在進(jìn)入人體后，由于POMs納米團(tuán)簇是高度親水的，因此可以很好地分散在水或磷酸緩沖鹽溶液(PBS)生理鹽水中，具有較高的生理活性[16]。

值得注意的是，當(dāng)用薄層色譜法監(jiān)測(cè)POMs生物分布時(shí)，發(fā)現(xiàn)其能夠在24小時(shí)內(nèi)保持完整，且72%左右的POMs納米團(tuán)簇能夠通過(guò)腎臟系統(tǒng)清除，余下的28%也可以在一周內(nèi)通過(guò)肝臟代謝排出體外。

1.2石墨烯量子點(diǎn)(graphene quantum dot，GQDs) 酚類(lèi)氧化劑是一種在植物性食品中能夠找到的化學(xué)物質(zhì)，其含有的多酚類(lèi)物質(zhì)具有高生理和藥理活性，能夠抵御癌癥和關(guān)節(jié)炎等多種疾病[17-18]。多酚類(lèi)抗氧化劑的酚基團(tuán)可以提供H原子用于 ROS 捕獲，進(jìn)而形成苯氧基自由基。多酚物質(zhì)的抗氧化活性會(huì)受到多種不同取代基的影響，而在GQDs中還有多種含氧基團(tuán)，甚至石墨烯結(jié)構(gòu)中與sp2碳中心鍵合的羥基(C-OH)還被稱(chēng)作“類(lèi)酚基團(tuán)”[19-20]。因此，由于受到天然酚類(lèi)抗氧化劑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Wang等[21]設(shè)想石墨烯結(jié)構(gòu)上的酚類(lèi)基團(tuán)也能作為H原子供體用于ROS捕獲，并且相關(guān)的中間自由基可以很好地穩(wěn)定，進(jìn)而構(gòu)建了具有高ROS清除功效和腎臟特異性的類(lèi)酚基功能化石墨烯量子點(diǎn)(h-GQDs)，用于AKI抗氧化治療。通過(guò)在AKI小鼠腎臟中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，h-GQDs的抗氧化活性來(lái)自于其結(jié)構(gòu)中特意增加的類(lèi)酚基團(tuán)數(shù)量和減少的羰基數(shù)量，因?yàn)轭?lèi)酚基團(tuán)和羰基基團(tuán)對(duì)ROS清除能力分別有促進(jìn)和抑制作用。實(shí)驗(yàn)中觀察得到h-GODs能夠在小鼠腎臟中呈現(xiàn)大于72小時(shí)的高積聚，同時(shí)相對(duì)臨床抗氧化劑 N-乙酰半胱氨酸 (NAC)，這種納米材料只需十六分之一劑量即可發(fā)揮相當(dāng)強(qiáng)的治療效果，且沒(méi)有毒性反應(yīng)。

1.3超小RuO2納米酶 在病理?xiàng)l件下，天然酶如過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPx)有助于維持細(xì)胞氧化還原平衡，但是它們對(duì)生理環(huán)境敏感且易于失活[22-24]。近年來(lái)，由于具有酶樣活性的納米顆粒具有優(yōu)異的理化性質(zhì)、生物安全性、生物穩(wěn)定性和ROS清除能力，逐漸成為解決天然酶失活問(wèn)題的方向，且已經(jīng)有大量的酶類(lèi)納米材料，包括金屬氧化物、金屬納米材料和各種聚合物等已被創(chuàng)新地用于治療由 ROS引發(fā)的疾病。但是在腎臟領(lǐng)域，由于腎小球?yàn)V過(guò)閾值的制約，大部分的大尺寸納米酶材料不能被腎臟良好地吸收且具有明顯的毒性反應(yīng)，因此使用受到限制[25-26]。為了解決這一難題，Liu等[27]合成出一種具有良好生物相容性和酶樣活性的超小型RuO2納米酶(RuO2NPs)，平均直徑為2 nm，流體動(dòng)力學(xué)尺寸約為5.4 nm，其因具有多酶(CAT、GPx 和 SOD)的特性而被用于氧化劑，體外實(shí)驗(yàn)和AKI小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了具有有效腎積聚、腎清除和長(zhǎng)期生物安全性。使用HEK293細(xì)胞來(lái)對(duì)RuO2NPs防止過(guò)量ROS的能力進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示，正常對(duì)照組細(xì)胞凋亡率為6.04%，單獨(dú)在RuO2NPs環(huán)境下的細(xì)胞凋亡率為14.60%，單獨(dú)暴露于500 μm H2O2環(huán)境中的細(xì)胞凋亡率為42.90%，同時(shí)存在500 μm H2O2和RuO2NPs時(shí)細(xì)胞凋亡率下降至23.80%，由此可見(jiàn)，RuO2NPs可以保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷。有對(duì)照試驗(yàn)對(duì)RuO2NPs預(yù)防線粒體損傷的作用進(jìn)行研究，結(jié)果表明，RuO2NPs在預(yù)防線粒體損傷中也可發(fā)揮積極作用。

1.4腎靶向納米復(fù)合物 在AKI病例中，過(guò)量的ROS會(huì)導(dǎo)致線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential， MMP)損失，這也是線粒體功能障礙的主要標(biāo)志[28-29]。SS-31(D-Arg-di-methylTyr-Lys-Phe-NH2)作為一種靶向線粒體的抗氧化劑，是目前治療AKI的重要藥物選擇，它能夠選擇性地與線粒體內(nèi)膜上的心磷脂結(jié)合并作用，保護(hù)線粒體嵴的結(jié)構(gòu)并促進(jìn)氧化磷酸化。為了臨床治療的效果需要頻繁進(jìn)行SS-31給藥，但SS-31本身特異性生物分布性差和遞送效率低，極大限制了其使用[30-32]。針對(duì)于此，Di等[33]設(shè)計(jì)了具有pH響應(yīng)和AKI腎靶向的納米復(fù)合物NPs，作為SS-31的載體進(jìn)行藥物的有效遞送。他們使用陰離子透明質(zhì)酸和陽(yáng)離子殼聚糖作為材料制作復(fù)合納米顆粒，得到的腎靶向納米復(fù)合物NPs攜帶SS-31藥物進(jìn)入靶區(qū)域，與溶酶體的低pH環(huán)境接觸后，NPs原有的靜電平衡被打破，從而允許SS-31藥物釋放并靶向線粒體，從而獲得治療效果的提升。在體外環(huán)境中的測(cè)試結(jié)果表明，相較于普通游離的SS-31而言，NPs能帶來(lái)更高的抗氧化和抗細(xì)胞凋亡效果。在AKI小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)NPs能帶來(lái)優(yōu)異地降低氧化應(yīng)激、保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)、減少炎癥反應(yīng)、減少靜脈給藥后腎小管細(xì)胞凋亡和壞死的能力。因此，可以認(rèn)為NPs腎靶向納米復(fù)合物具有明顯增強(qiáng)SS-31特異性生物分布和傳遞的潛力，對(duì)減少氧化應(yīng)激和炎癥，防止腎小管凋亡和壞死具有良好作用。

2 結(jié)論和展望

本文對(duì)當(dāng)前抗氧化納米材料在AKI治療中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和分析，選擇了當(dāng)前具有代表性的研究成果進(jìn)行介紹，包括POMs、h-GQDs、超小RuO2納米酶和腎靶向納米復(fù)合物NPs等。結(jié)合不同材料的抗氧化能力對(duì)照實(shí)驗(yàn)和機(jī)制分析，可以看出抗氧化納米材料的使用能夠明顯降低氧化應(yīng)激反應(yīng)水平，為AKI治療帶來(lái)新的研究方向和更好的治療效果。

值得注意的是，一方面納米材料的制備、加工和完善需要材料學(xué)領(lǐng)域尖端技術(shù)的支持，成本和技術(shù)限制導(dǎo)致目前并不能大面積推廣；另外目前的研究主要著重于納米材料帶來(lái)的抗氧化性能的提升，對(duì)于其進(jìn)入人體后的代謝過(guò)程以及是否具有不良反應(yīng)等研究較少。因此在當(dāng)前研究的基礎(chǔ)上，未來(lái)的相關(guān)研究可以與材料學(xué)緊密結(jié)合，尋求更高效的制備路徑，并對(duì)納米材料的人體代謝過(guò)程進(jìn)行深入研究，以確保其生物安全性。