Dans un récent rapport, Yufeng Liu et une équipe de chercheurs interdisciplinaires en Chine ont développé une cascade de nanoenzymes intégrée pour éliminer les espèces réactives excessives de l'oxygène (ROS ; radicaux libres d'oxygène). Le nanozyme imitait la superoxyde dismutase (un groupe d'enzymes) et incorporait une structure métal-organique (MOF) à base de manganèse (Mn) pour transformer les radicaux oxygène en peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ). À l'aide d'expériences en laboratoire et in vivo, l'équipe a montré le potentiel d'élimination des ROS des nanozymes en cascade intégrés. Comme preuve de concept, ils ont soulagé deux formes de troubles inflammatoires de l'intestin (MII) - la colite ulcéreuse et la maladie de Crohn en utilisant des nanozymes en cascade comme traitements efficaces. L'étude a fourni une nouvelle méthode pour construire des systèmes en cascade de type enzyme et illustre la promesse de leur thérapie efficace pour traiter les MII in vivo. L'ouvrage est désormais publié sur Avancées scientifiques .

Au cours des réactions catalytiques en cascade qui se produisent dans les organismes vivants, plusieurs enzymes sont combinées à l'intérieur de compartiments subcellulaires pour une transduction précise du signal et un métabolisme efficace. De telles réactions en cascade confinées sont avantageuses par rapport aux réactions classiques à plusieurs étapes en raison des barrières de diffusion réduites et des concentrations locales améliorées d'intermédiaires pour une économie d'atomes et des réactions totales améliorées. Les scientifiques ont fait des efforts considérables pour imiter de tels systèmes en cascade sur des échafaudages, mais leur coût élevé et leur faible stabilité ont des applications pratiques étendues limitées. Par conséquent, les chercheurs ont exploré les imitateurs d'enzymes pour comprendre et construire des réactions en cascade en laboratoire. Dans ce travail, Liu et al. ont détaillé un système de réaction en cascade à base de nanoenzymes à un seul composant avec une activité élevée et ont démontré leur rôle au cours de la thérapie in vivo des maladies inflammatoires de l'intestin (MICI) associées aux espèces réactives de l'oxygène (ROS).

Concevoir, synthèse et caractérisation de l'échafaudage enzymatique

L'équipe a conçu et synthétisé un nanozyme en cascade mimétique intégré de superoxyde dismutase (SOD) et catalase (CAT) et l'a désigné sous le nom de Pt@PCN222-Mn. Pour construire l'échafaudage, ils ont introduit une fraction de type SOD de porphyrine de manganèse (Mn) (III) et une nanoparticule de platine de type CAT dans un cadre organique métallique (MOF) à base de zirconium (Zr) à l'échelle nanométrique nommé PCN222. La construction intégrée (Pt@PCN222-Mn) a montré une activité améliorée de piégeage des ROS pour protéger les souris des MII liées aux ROS, une maladie chronique incurable encore, et ainsi élargir le potentiel des nanozymes en cascade pour des applications biomédicales in vivo.

Lors des expérimentations, Liu et al. a confirmé la synthèse réussie des constructions préliminaires à base de manganèse en utilisant la résonance magnétique nucléaire, Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et mesures spectroscopiques ultraviolet visible. L'équipe a synthétisé le composant contenant un MOF nanométrique et confirmé sa formation par microscopie électronique à transmission (MET) et microscopie électronique à balayage (MEB). Les scientifiques ont ensuite développé trois nanozymes en cascade et les ont appelés Pt@PCN222-Mn-1, Pt@PCN222-Mn-3 et Pt@PCN222-Mn-5, respectivement. Parmi ceux-ci, Pt@PCN222-Mn-5 avait une surface spécifique plus élevée par rapport aux autres nanozymes anti-ROS étudiés jusqu'à présent.

Étude de l'activité catalytique des nanozymes en cascade

Piégeage des radicaux oxygène ( ^• O 2 ⁻ ) est l'étape initiale de la réaction en cascade anti-ROS, par conséquent, l'équipe a étudié l'activité catalytique des constructions synthétiques pour surveiller leur capacité à éliminer de la même manière les radicaux oxygène. Les travaux ont mis en évidence le rôle clé du manganèse dans la porphyrine pour imiter les activités de type superoxyde dismutase (SOD) des différentes constructions enzymatiques, où les constructions Pt@PCN222-Mn-5 ont montré l'activité de type SOD la plus élevée parmi les imitateurs d'enzymes. L'équipe a confirmé les résultats en utilisant la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE).

En tant que deuxième étape cruciale de la cascade de piégeage des ROS dans les environnements biologiques, l'enzyme CAT (catalase) a catalysé la décomposition du peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ) en eau et oxygène. Liu et al. donc surveillé les activités de type CAT des nanozymes en surveillant l'oxygène généré par la décomposition du peroxyde d'hydrogène. Comme avant, Pt@PCN222-Mn-5 a montré l'activité de type CAT la plus élevée parmi les imitateurs d'enzymes à base de MOF. Sur la base des résultats, Liu et al. a confirmé l'activité de type SOD résultant de la fraction liée au manganèse de la construction enzymatique, tandis que les nanoparticules de platine intégrales étaient principalement responsables de l'activité de type CAT.

Focus enzyme Pt@PCN222-Mn-5 et thérapie anti-inflammatoire in vivo

Pour bien comprendre l'activité du nanozyme en cascade Pt@PCN222-Mn-5, l'équipe a étudié son activité enzymatique synergique de type SOD et CAT et a observé des effets synergiques prononcés pour cette dernière. L'équipe a choisi le nanozyme pour des investigations plus approfondies et a testé sa fonctionnalité avec une lignée cellulaire lors d'études de cytotoxicité. A une concentration inférieure à 80 µg/mL, le nanozyme n'a montré aucune cytotoxicité et a démontré un excellent potentiel de balayage des espèces réactives de l'oxygène.

Sur la base des résultats expérimentaux, Liu et al. ont mené des thérapies in vivo pour traiter la colite ulcéreuse (CU) et la maladie de Crohn (MC) dans des modèles murins de la maladie. Étant donné que la CU est une forme de trouble inflammatoire de l'intestin qui s'accompagne généralement d'espèces réactives de l'oxygène surproduites, les scientifiques ont testé les effets thérapeutiques du Pt@PCN222-Mn-5 avec des médicaments existants pour le traitement des MII. L'équipe a administré le traitement par injection intrapéritonéale à chaque souris et a observé des effets thérapeutiques réussis de Pt@PCN222-Mn-5 pour soulager l'état pathologique de la CU chez la souris. L'équipe a optimisé les doses du nanozyme en cascade en utilisant plusieurs groupes de traitement et a trouvé que l'enzyme cible d'intérêt était la plus favorable. Lorsqu'ils ont exploré de la même manière le CD, un autre type de MII utilisant un modèle murin induit par la maladie, la stratégie de traitement a indiqué une plus grande efficacité pour les nanozymes en cascade par rapport aux médicaments traditionnels à petites molécules utilisés dans le traitement des MII.

De cette façon, Yufeng Liu et ses collègues ont développé un nanozyme intégré pour catalyser les réactions en cascade et éliminer les espèces réactives de l'oxygène (ROS). Le nanozyme intégré avait deux sites actifs séparés dans l'espace pour imiter la superoxyde dismutase (SOD) et la catalase (CAT). À l'aide d'expériences en laboratoire, ils ont montré l'activité exceptionnelle d'élimination des ROS du nanozyme en cascade, leur excellente biocompatibilité et leur bonne dispersibilité aqueuse. L'équipe a établi un modèle animal inflammatoire pour tester la capacité anti-ROS du nanozyme en cascade dans un organisme biologique et a déterminé son potentiel thérapeutique supérieur contre les modèles de colite ulcéreuse (CU) et de maladie de Crohn (MC) de troubles inflammatoires de l'intestin (MICI). L'équipe a optimisé la concentration du nanozyme pour obtenir un soulagement efficace des MII dans des modèles animaux. Le travail a montré d'excellentes activités de piégeage des ROS pour le traitement de l'inflammation et fournit une méthode prometteuse pour construire des nanozymes avec de multiples sites actifs pour d'autres applications en biomédecine.

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