Angew. Chem. :天然抗氧化酶启发的锰基高分子人造酶用于干细胞治疗

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以干细胞移植为基础的再生医学的快速发展,为心脏功能修复、神经细胞再生、难愈性骨缺损等严重组织损伤的治疗提供了广阔的应用前景。然而,组织损伤区域往往存在高活性氧(ROS)浓度,而异常增加的ROS会导致干细胞结构的严重破坏,进而限制干细胞的增殖、粘附和分化等生理过程,从而限制干细胞移植在临床创伤组织修复中的治疗应用前景。因此,迫切需要设计具有高效ROS清除活性的人造抗氧化酶材料,以满足对临床创伤修复中微环境抗ROS和干细胞保护的应用需求。


近日,受天然锰基抗氧化酶(Mn-SOD)配位结构的启发,四川大学高分子学院程冲研究员与华西口腔医院叶玲教授开展医工交叉合作研究。研究团队首先通过精确高分子合成策略构筑了一种新型锰配位聚酞菁高分子框架材料(Mn-PcBC),该新型人造酶结构具有Mn-N5催化位点和二维d-π共轭高分子网络结构,可作为人造抗氧化酶高效催化清除微环境中ROS,从而抑制干细胞凋亡和提升干细胞在创伤微环境中的增殖和分化功能。该合作研究团队通过系统性实验分析和理论计算模拟,系统地探讨了Mn-PcBC高分子人造酶的化学结构、仿抗氧化酶活性和催化机制。



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图1. 新型锰配位聚酞菁高分子框架材料的结构设计

由于兼具Mn-N5催化位点和二维d-π共轭高分子网络的结构优势,Mn-PcBC人造酶能够高效稳定地催化清除•O2和H2O2,并展现出对多种ROS的高效清除活性,其性能远超已报道的其他Mn基人造抗氧化酶材料。

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图2. 新型锰配位聚酞菁高分子框架材料催化清除ROS性能测试

研究团队还通过密度泛函理论系统地揭示了Mn-PcBC人造酶催化清除•O2和H2O2的反应路径和活性来源。理论分析结果表明,在Mn-PcBC的Mn-N5活性中心中,Mn和平面N1之间形成的d-π共轭网络,从而促进了催化反应过程中电子的快速转移,而Mn和N2的轴向配位则能有效地调节ROS清除过程中关键中间体的吸附能。理论分析清晰地证明Mn-PcBC在ROS清除反应中的优异活性主要是源于其仿天然Mn-SOD活性中心的Mn-N5配位结构。

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图3. 新型锰配位聚酞菁高分子框架材料催化清除ROS机制解析

随后,该合作研究团队以人间充质干细胞(hMSCs)为研究模型,系统地研究了Mn-PcBC在保护干细胞免受ROS损伤和保护其生理活性和分化功能方面的治疗效果。结果表明, Mn-PcBC可以通过保护成骨相关基因的转录,对高ROS微环境中hMSCs的存活率、细胞骨架、细胞粘附和成骨分化等提供充足的保护和促进。


研究团队认为本项目开发的Mn-PcBC是一种高效、稳定和安全的新型高分子人造抗氧化酶材料,Mn-PcBC将为损伤组织修复的干细胞疗法提供新型生物医用材料,也将为其他ROS介导的疾病带来新的研究和治疗途径。

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图4. 新型锰配位聚酞菁高分子框架材料用于高ROS微环境中保护干细胞增殖和分化

文信息

Manganese-Based Antioxidase-Inspired Biocatalysts with Axial Mn-N5 Sites and 2D d-π-Conjugated Networks for Rescuing Stem Cell Fate

Zihe Wu, Yimin Sun, Shengdong Mu, Mingru Bai, Qian Li, Tian Ma, Lang Ma, Fan Chen, Xianglin Luo, Ling Ye, Chong Cheng


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202302329




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