陈建峰、甘志华等Adv.Mater：抗氧化酶纳米胶囊用于新型冠状病毒肺炎的治疗

renne

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）已在全球造成超过3000万例新冠肺炎（COVID-19）病例，给全世界带来了巨大损失。广谱抗病毒药物（如核苷类似物和艾滋病毒蛋白酶抑制剂）正被用来减轻感染。然而，目前的治疗是支持性的，还没有针对新冠肺炎的特定抗病毒药物或疫苗面市。临床上，重症COVID-19患者常患有细胞因子风暴综合征，细胞因子风暴（Cytokine storm）是由于细胞因子分泌过多而导致的一种严重的免疫失调，常发生在病毒感染、器官移植、免疫治疗及自身免疫性疾病等过程中，如果不加治疗可能导致器官衰竭甚至死亡。因此，迫切需要治疗过度炎症和免疫抑制，以降低死亡率。
       近日，北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室陈建峰院士、甘志华教授、中国医学科学院昆明医学生物学研究所和占龙教授与美国加州大学洛杉矶分校卢云峰教授等组成的国际合作研究团队，开发了一种潜在的可用于新冠肺炎治疗的方法，针对COVID-19发病过程中活性氧自由基（ROS）诱导的细胞炎症因子风暴，利用氧化氢酶的纳米胶囊n(CAT)，成功调节ROS达到阻断COVID-19病程的目的，这可能为COVID-19或者其他炎症的治疗提供一种有效的治疗手段。相关研究结果近期发表于Advanced Materials期刊（DOI: 10.1002/adma.202004901）。该论文第一作者是北京化工大学秦蒙副教授，美国加州大学洛杉矶分校的曹正、温静博士。
       根据研究发现，活性氧（ROS）水平的升高与炎症、氧化损伤以及病毒感染和复制密切相关，因此研究人员推测调节COVID-19患者的活性氧水平可能对治疗炎症过度有效，保护组织免受氧化损伤，抑制病毒复制。如图一所示，感染SARS-CoV-2后，白细胞被吸引到感染部位，释放细胞因子和ROS。ROS水平升高促进病毒复制，引起氧化损伤，并通过DNA损伤、脂质过氧化和蛋白质氧化诱导细胞凋亡，血管通透性增大，进一步加剧免疫反应。结果，越来越多的白细胞被招募，进一步释放ROS和细胞因子，导致炎症过度和细胞因子风暴综合征。因此阻断ROS水平升高成为阻断细胞因子风暴关键。

图一. ROS引起的病理反应示意图

        ROS的产生与代谢如所示，O2在体内代谢的过程中，产生超氧阴离子（·O2−），在超氧化物歧化酶（SOD）的介导下迅速转化为过氧化氢（H2O2）。H2O2化学性质稳定，能够穿过细胞膜并在组织中扩散。 H2O2的代谢主要是通过过氧化氢酶（CAT）分解成 H2O和O2。在病理条件下，ROS产生过多，但抗氧化酶缺乏，H2O2可能会局部或系统地积累，氧化含硫残基蛋白质，并与过渡金属（如铁）反应，产生下游高活性的ROS。因此，消除过量的H2O2对减少下游ROS的形成至关重要，预防氧化损伤，避免免疫过激。
        过氧化氢酶在体内广泛存在于肝脏、红细胞和肺泡上皮细胞中，是分解H2O2的最有效催化剂。一个过氧化氢酶分子可以在1s内分解107个H2O2分子。而且它是一种安全的、常用的食品添加剂和膳食补充剂，极易获得。然而，较差的稳定性和极短的血浆半衰期（0.5h）限制了它作为药物的应用。
        为了探索其治疗用途，研究者利用磷脂胆碱类等单体通过非共价相互作用富集在过氧化氢酶分子周围，与交联剂一起聚合成一层薄薄的外壳，形成粒径为25-30nm的纳米胶囊，称为n(CAT)。允许过氧化氢快速通过外壳与酶反应，赋予n(CAT)和天然过氧化氢酶相似的高酶活性、并显著增强稳定性，降低免疫原性。
        通过与肺上皮细胞、人白细胞及H2O2共培养的一系列细胞实验表明n(CAT)不仅具有保护细胞免受氧化损伤的能力，还可以作为免疫调节剂显著下调人白细胞分泌的TNF-α和IL-10的量，有效阻断炎症反应。在小鼠的体内实验中，雾化给药后，n(CAT)几乎只滞留于肺部，而在静脉给药后，有效到达肺及其他组织，血清半衰期为8.9h，比天然CAT（0.5h）长16.8倍。值得注意的是，通过对恒河猴进行雾化给药，并通过鼻拭子与咽拭子取样检测，在确定支气管、肺、淋巴各组织的病毒载量的基础上进一步证实n(CAT) 能够抑制SARS-CoV-2在恒河猴体内的复制和侵染。同时，该纳米粒子不仅在人类白细胞、肺泡上皮细胞以及健康小鼠体内未见毒性，而且大剂量静脉注射施用于恒河猴身上，通过组织切片以及血常规，肝肾功能检测均未见任何明显毒性。
       综上所述，过氧化氢酶具有显著的抗炎作用和调节白细胞中细胞因子的生成的作用，保护肺泡细胞免受氧化损伤，以及抑制SARS-CoV-2在恒河猴体内的复制的能力，而没有明显的毒性。此外，值得注意的是，过氧化氢酶是一种安全的、常用的食品添加剂和膳食补充剂。目前，通过与北京赛升公司合作，北京化工大学已经完成n(CAT)的中试规模化制备，可以在一周内完成1万人次使用的药品生产，这可能为COVID-19或者其他重症炎症的治疗提供一种有效的治疗手段。
       原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202004901
      
       文章来源：北京化工大学
       甘志华，男，1965 年11 月出生，博士，北京化工大学教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者。1990 年在天津大学获得硕士学位，1993 年在中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位，之后留所工作。1997-1998 在香港中文大学做访问学者和博士后，1998-2004 年在日本理化学研究所，fellowship 研究员和日本科学技术振兴事业团研究员。2004 年入选中国科学院“百人计划”到中国科学院化学研究所，研究员、课题组长。2012 年12 月到北京化工大学生命科学与技术学院工作。
       陈建峰，男，1965年出生，博士，教授，博士生导师，北京化工大学化学工程学院院长，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,国家杰出青年基金获得者，入选人事部“新世纪百千万人才工程国家级人选”。主要研究领域：纳米材料和超重力反应分离工程。
       1986年浙江大学本科毕业，1992年在浙江大学获博士学位，1994年6月从浙江大学博士后出站，1994年6月至北京化工大学工作，1996年晋升为教授，1997年被评聘为博士生导师。1997年－1998年在美国Case Western Reserve大学化工系任客座教授，1999年－2000年在新加坡南洋理工大学环境科技研究院任研究员。
现任北京化工大学化工学院院长，有机无机复合材料国家重点实验室主任，教育部超重力工程研究中心主任，国家“863”计划新材料领域纳米材料与器件主题专家组召集人，国家工业领域“节能减排”总体专家组成员，中国颗粒学会副理事长，中国化工学会常务理事兼化学工程专业委员会副主任，中国材料学会青年委员会高级理事；加拿大《The Canadian Journal ofChemical Engineering》副主编、美国《Ind. Eng. Chem. Res.》、欧洲《Chemical Engineering and Processing: ProcessIntensification》、《Chemical & EngineeringTechnology》、《Particuology》、《化工学报》、《功能材料》等十种刊物编委。
       主持承担过国家自然科学基金委重大项目、创新研究群体项目、国家“863”重点项目、国家科技攻关计划重点项目、国家高技术产业化示范工程项目等系列国家重大、重点项目和国际公司合作项目。共申请国际发明专利16件（授权6件）、国家发明专利150余件（授权60余件），在AIChE J.，Chem. Eng.Sci.，Ind. Eng. Chem. Res.，Adv. Mater.，Small，Biomaterials，Nanotechnology等化工和材料类刊物上发表学术论文400余篇，其中SCI论文240余篇，论文被SCI他引2200余次，出版专著2部，译著1部。获何梁何利创新奖（2008），并作为第一完成人，获国家技术发明奖二等奖（2002）、国家科学技术进步奖二等奖（2007）共2次，省部级一等奖5次、二等奖2次，获北京市教学成果奖一等奖共2次，并获国家石油与化学工业优秀科技图书奖一等奖，美国DOW化学研究员基金奖，第八届中国青年科技奖，第八届中国高校霍英东青年教师奖，国家“863”计划十五周年突出贡献先进工作者，全国优秀教师和北京市创新标兵称号等荣誉。