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学科融合促发展,院所交叉结硕果——学科团队携手在微量元素的应用研究方面取得新进展

2023-09-12   作者:王显祥   审稿:宋三多     (浏览次数:)     打印    收藏

 微量元素是人类和植物生长发育所必需的元素,如铁、锌、硒等,对生命健康和过程起着关键作用。而纳米材料是指粒径在100纳米左右,具有一类特殊功能的材料,被广泛应用于各个学科领域。改变微量元素组成、尺寸或形貌,不仅赋予这些元素特殊功能,还可以改善微量元素的传递和吸收,从而提高生物体对这些元素的利用效率,能够促进动植物生产,达到减量增效目的。欧博百家乐ABG菲律宾王显祥教授团队致力于运用纳米技改善微量元素的吸收与利用,在动植物中推广应用,做了大量的基础性研究工作。近期,该团队和动物营养所陈代文教授团队等合作,在纳米技术的应用方面,取得了一些进展,相关的研究成果在指导微量元素的产业化应用具有一定的意义

1.NaYF4:Yb/Er@Mn3O4@GOX纳米复合材料用于诊疗一体化治疗癌症

恶性肿瘤是威胁人类健康的世界性疾病。研究表明,肿瘤的治疗机制涉及细胞凋亡和铁死亡。王显祥教授团队和动物营养所陈代文教授团队共同研发了一种新型纳米酶NaYF4:Yb/Er@Mn3O4@GOX,解析其通过引起细胞内外凋亡/铁死亡以杀死癌症细胞的分子机制,该研究成果近期发表在纳米材料领域旗舰期刊Small (中科院大类一区TOP,IF=13.3)上发表研究论文《NaYF4:Yb/Er@Mn3O4@GOX Nanocomposite for Upconversion Fluorescence Imaging and Synergistic Cascade Cancer Therapy by Apoptosis and Ferroptosis》(全文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202304438),为肿瘤诊疗一体化提供了新的治疗方案。

纳米酶作为具有天然酶活性的人工酶,在癌症治疗中受到了极大的关注,但目前多以细胞凋亡为主要机制众所周知,肿瘤细胞会无限增殖,这种异常增殖行为会导致肿瘤细胞中的活性氧(ROS水平升高。为了平衡这种氧化应激,一种典型的细胞内还原剂GSH会被上调,为了清除过量的 ROS 并防止肿瘤细胞内的氧化还原紊乱,从而导致癌细胞对各种 ROS 治疗的耐受性不断增强。所以,即使 ROS 水平显著增加,单一的基于凋亡的抗肿瘤治疗策略已经达不到相应的疗效。因此,以非凋亡过程为目标的铁死亡可为抑制肿瘤生长提供另一种策略团队设计了一种多功能自级联纳米复合材料:葡萄糖氧化酶负载复合纳米酶 NaYF4:Yb/Er@MnOX(NaYF4:Yb/Er@MnOX@GOX)。该材料具有底物 H2O2 自足性、过氧化物酶(POD)活性和 谷胱甘肽氧化物酶(GSH-OXD)活性,可用于肿瘤凋亡-铁死亡氧化协同治疗癌症。而且,肿瘤细胞中丰富的谷胱甘肽(GSH)和酸性环境可以降解纳米复合材料的 MnOX 层,这可以促进 NaYF4:Yb/Er 荧光核的荧光恢复,恢复的荧光可以对肿瘤进行上转换荧光成像。因此,利用该纳米复合材料,实现了利用其级联反应完成肿瘤诊断和治疗的高效整合。

欧博百家乐ABG菲律宾王显祥教授和四川农业大学动物营养所陈代文教授为该论文的共同通讯作者,农学院陈银银老师为该论文的第一作者。  

1. UCMn@GOX 纳米酶的制备和用于癌症治疗的自级联酶催化

2.F3S4纳米酶通过细胞凋亡/铁死亡的协同作用抑制肿瘤生长

铁是动物营养中的重要微量元素,具有关键的生物学功能。将铁元素纳米化后,具有一些重要的特殊功能,能够增强铁元素的高效利用。比如铁基纳米酶具有优异的氧化酶活性被广泛研究。王显祥教授团队和动物营养所陈代文教授团队共同研发了一种新型铁基纳米酶F3S4,来探究其在肿瘤治疗上的应用,该研究成果在国际期刊Chemical Engineering Journal(中科院大类一区TOP,IF=15.1)上发表研究论文《Fe3S4 Nanozyme Inhibits Tumor Growth by Synergistic Effects of Ferroptosis and Apoptosis》(全文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145920),为铁基纳米酶在动物领域应用提供了新的方案

团队大规模合成了一种具有高过氧化物酶样(POD-like)和谷胱甘肽过氧化物酶样(GPX-like)活性的Fe3S4纳米酶,具有POD样活性,与H2O2亲和力强,能有效催化肿瘤微环境中的H2O2发生Fenton反应生成·OH,从而促进肿瘤细胞凋亡和铁凋亡。此外,Fe3S4纳米酶具有类似 GPX 的活性,能将 GSH 转化为 GSSG,从而达到消耗 GSH 的效果。同时,Fe3S4 纳米酶还能抑制 Xc 系统(SLC7A11 和 SLC3A2),从而进一步减少 GSH 的合成。GSH 的耗竭使肿瘤细胞对 Fe3S4 介导的铁猝死敏感。这种策略为加强纳米酶的治疗肿瘤提供了一种新的策略,也为该材料在调节动物肠道健康,在饲料领域的应用提供了新的方案

欧博百家乐ABG菲律宾王显祥教授和四川农业大学动物营养所陈代文教授为该论文的共同通讯作者,动物营养所伍爱民老师为该论文的第一作者。

2. 通过结合细胞铁凋亡和细胞凋亡治疗肿瘤的 Fe3S4 纳米酶示意图

3.硒基纳米酶和铜基纳米酶检测食物中的抗生素

抗生素可提高动物的生长速度和饲料转化率,降低由病原体入侵引起的动物疾病。然而,过量抗生素不仅对动物健康产生负面影响,且增加了食品中的抗生素残留,进而通过食物链危害人类健康。因此,建立准确快速的检测方法监测食品中抗生素浓度是非常必要的。常用方法由于耗时、样品预处理复杂、仪器要求高,技术难度大等缺点,无法满足实时大规模生物样品分析的需求。因此,迫切需要开发一种迅速、准确、经济适用的抗生素检测方法,以满足现场监测抗生素的需求。团队近期相继在《Food Chemistry》(中科院大类一区TOP,IF=8.8)上发表了题为《Selenium-based nanozyme as a fluorescence-enhanced probe and imaging for chlortetracycline in living cells and foods》(全文链接:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.137147),报道了一种硒基纳米酶(GSH-Se)的合成方法及作为荧光增强探针用于活细胞和食物中的金霉素成像分析的应用,和《Novel colorimetric detection of oxytetracycline in foods by copper nanozyme》的研究论文,(全文链接:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.137040),报道了一种铜纳米酶比色检测食品中土霉素的新型方法。

3. GSH-Se纳米酶的合成及用于食品和细胞中金霉素成像分析

 

4. CuNZs 对 土霉素 进行比色分析检测的示意图

欧博百家乐ABG菲律宾王显祥教授为该论文的通讯作者,动物营养所吴彩梅老师为该论文的第一作者。