近日，天津大學張曉東教授與神經工程團隊合作在單原子納米酶繃帶治療顱腦創傷方面取得進展。研究團隊利用單原子催化原理，製備出具有持久高效的類酶活性和清除自由基能力的納米酶繃帶，並將其應用於顱腦創傷引發的神經損傷的局部治療，並取得良好效果。
顱腦創傷是最嚴重的創傷之一，它不僅會造成組織損傷與缺氧，而且會在創傷處產生過量的活性自由基，進而觸發腦部一系列的生化反應和神經免疫反應，誘發不可逆的神經組織損傷，嚴重危及傷者生命安全。然而，目前並沒有科學全面的治療顱腦創傷的方法。長期以來，清除損傷部位的自由基被證實為治療顱腦損傷的可行性方案，對於挽救傷者生命以及減輕損傷後遺症至關重要。因此，具有清除自由基能力的納米材料或小分子被廣泛應用於治療顱腦創傷，但絕大多數藥物由於尾靜脈注射、灌胃等給藥方式的侷限會引起嚴重的毒副作用，且由於血腦屏障難跨越大大降低了藥物利用率。
無創的外用治療是一種可以有效規避傳統給藥方式缺點的手段，但是傳統的繃帶，由於使用過程中電子轉移能力的下降，會逐漸喪失抗氧化活性。而對於顱腦損傷而言，為保證繃帶催化活性經常性的更換繃帶是不現實的。故這種治療方式無疑對藥物的催化活性與穩定性提出了更高要求。
圖1: 納米酶繃帶原理示意圖
面對種種挑戰，張曉東教授課題組和神經工程團隊首次設計製作出可用於顱腦創傷治療的高效且穩定的單原子納米酶繃帶。課題組利用單原子催化原理設計合成了Pt/CeO2單原子納米酶，單原子Pt的分佈導致了CeO2納米酶的晶格膨脹，形成了新的穩定的活性位點與電子轉移路徑，導致其催化能力顯著增加。在性能方面，Pt/CeO2單原子納米酶的類酶活性比純CeO2納米酶高出3-10倍，且其清除自由基能力比純CeO2納米酶高出2-10倍。研究者進一步將Pt/CeO2單原子納米酶負載於柔性的碳纖維布上製作成為單原子納米酶繃帶，其催化活性在長達一個月的測試中幾乎沒有衰減。這種具有高催化效率與強穩定性的單原子納米酶繃帶在顱腦創傷小鼠的治療中確實表現出良好的療效，它不僅可以有效地促進傷口癒合，而且在降低神經炎症反應、緩解神經損傷方面卓有成效。
圖2: Noninvasive treatment of brain trauma in mouse models using the nanozyme-based bandage. (a) Schematic illustration of noninvasive TBI treatment using the nanozyme-based bandage as a sustained multienzyme catalytic system. (b) Long-term stability of the enzyme-mimetic catalytic activity of the nanozymes. (c) Representative photos of wound healing and (d) residual wound over time with and without treatment of nanozyme-based bandage. (e) Tissue SOD, (f) lipid peroxide, (g) IL-1β, (h) IL-6, and (i) TNF-α levels 12 and 26 days after treatment. (j) Recruitment of astrocyte and microglia was alleviated after treatment. Asterisks indicate significant differences (*P < 0.05, **P < 0.005, ***P < 0.001) as compared with the control group, analyzed by a Student’s t test.
單原子催化作用，由於其最優化的原子利用率在催化方面具有極大優勢與潛力。張曉東教授課題組此次有關單原子納米酶繃帶治療顱腦創傷的研究充分利用了單原子催化作用，為顱腦創傷的治療提供了一條全新的思路，並進一步推動了單原子催化在醫學領域的前進與發展。
相關研究成果以“A Nanozyme-based Bandage with Single Atom Catalysis for Brain Truama”為題於2019年09月26日在線發表在《ACS Nano》上。該項研究工作由天津大學主持完成，天津大學為論文第一單位，北京協和醫學院、天津醫科大學總醫院、中山大學等國內多家大學和科研機構參與其中。
點擊https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b05075查看論文原文。
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