分享一篇最近發(fā)表在Nature Communications上的文章，題目為Organic-inorganic covalent selenium reversing ischemic reperfusion injury。本文的通訊作者是暨南大學(xué)陳填烽、賀利貞。

    硒作為人體必需微量元素，通過調(diào)節(jié)硒蛋白表達(dá)發(fā)揮生理功能，但不同硒物種（無機(jī)硒、有機(jī)硒）具有不同的生物活性和毒性窗口，且有機(jī)硒穩(wěn)定性差限制了其臨床應(yīng)用。本研究提出了一種硒原子重編程策略，構(gòu)建了有機(jī)-無機(jī)共價(jià)硒雜化納米顆粒（Or/In-Se NPs）。該納米顆粒通過將Se原子錨定到聚乙二醇（PEG）鏈上碳化形成Se-C鍵（有機(jī)硒）和Se-Se鍵（無機(jī)硒），整合了兩種硒物種的優(yōu)勢。在氧化還原刺激下，較弱的Se-Se鍵斷裂，釋放出具有強(qiáng)電子傳遞能力的有機(jī)硒以清除自由基，同時(shí)形成高活性的無機(jī)硒，進(jìn)一步釋放游離Se原子以觸發(fā)硒蛋白合成和激活，最終在雄性小鼠缺血性腦卒中模型中逆轉(zhuǎn)再灌注損傷并促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)。該工作為設(shè)計(jì)具有明確化學(xué)性質(zhì)和作用機(jī)制的高生物活性硒雜化物種提供了獨(dú)特策略。

    作者通過硒原子重編程策略，在220℃下將灰色晶態(tài)硒（t-Se）分散于PEG₄₀₀中，熔融成游離Se原子，并在PEG模板引導(dǎo)下形成粒徑均一的Or/In-Se NPs（約5 nm）。TEM和高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（AC-HAADF-STEM）顯示Se原子以明亮點(diǎn)狀分布，元素映射證實(shí)Se、C、O共存；XPS分析顯示隨著反應(yīng)進(jìn)行，C-Se鍵（288.5 eV）和Se 3d峰（C-Se-C鍵）逐漸增強(qiáng)，證實(shí)Se與C的共價(jià)結(jié)合；DFT計(jì)算證實(shí)Or/In-Se NPs中無機(jī)硒最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)為五元環(huán)狀。作者通過一系列結(jié)構(gòu)表征證實(shí)，熔融態(tài)的硒會(huì)逐步轉(zhuǎn)化為游離硒原子，隨后錨定在由PEG₄₀₀碳化形成的碳點(diǎn)表面，與主鏈碳原子鍵合，最終構(gòu)建出碳點(diǎn)支撐的有機(jī)-無機(jī)硒共存的Or/In-Se NPs（圖1）。

圖1. Or/In-Se NPs的合成與結(jié)構(gòu)表征。

    作者發(fā)現(xiàn)，Or/In-Se NPs表現(xiàn)出優(yōu)異的自由基清除能力。ABTS實(shí)驗(yàn)顯示Or/In-Se NPs在10 μg/mL濃度下自由基清除率達(dá)100%，顯著高于兩種單質(zhì)Se和碳化PEG，作者認(rèn)為形成納米顆粒后Se原子分散開有利于與自由基接觸，且電子逃逸所需能量更低，所以體系的供電子能力提高，且Se-Se鍵被活性氧（ROS）切斷后產(chǎn)生的有機(jī)Se提供了強(qiáng)大的活性氧催化分解能力。DFT模擬顯示Or/In-Se NPs催化·O₂^-和H₂O₂分解的相對(duì)能量接近0，表明其高效催化活性；ESR實(shí)驗(yàn)證實(shí)Or/In-Se NPs可徹底清除·O₂^-，并將H₂O₂催化為·OH后進(jìn)一步分解為H₂O和O₂，而單質(zhì)Se僅生成·OH中間體（圖2）。

圖2. Or/In-Se NPs的自由基清除能力及機(jī)理。

    氧化應(yīng)激是缺血性中風(fēng)再灌注損傷最重要的病理機(jī)制之一。基于Or/In-Se NPs卓越的ROS催化活性，作者構(gòu)建了人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系SH-SY5Y缺氧缺糖（OGD）模型，模擬缺血性中風(fēng)對(duì)神經(jīng)元的氧化損傷，并進(jìn)一步探究了Or/In-Se NPs的體外神經(jīng)保護(hù)作用（圖3）。Or/In-Se NPs（5 μg/mL）將SH-SY5Y細(xì)胞存活率從80%恢復(fù)至92%，優(yōu)于單質(zhì)Se和碳化PEG對(duì)照組；濃度依賴性地抑制ROS過量產(chǎn)生、鈣離子超載和線粒體碎片化，并逆轉(zhuǎn)線粒體膜電位降低和細(xì)胞凋亡過程。硒作為人體必需的微量元素以硒代半胱氨酸等形式插入硒蛋白中以維持腦組織的神經(jīng)元功能，HPLC-ICP-MS分析顯示，接觸Or/In-Se NPs后細(xì)胞內(nèi)硒代謝產(chǎn)物以硒代氨基酸（SeCys₂、MetSeCys、SeMet）為主，同時(shí)上調(diào)了多種抗氧化硒酶（主要為GPX2、GPX4）的表達(dá)。作者認(rèn)為Or/In-Se NPs中無機(jī)硒的Se-Se鍵能低于有機(jī)硒的Se-C鍵能，因此無機(jī)硒更有可能被還原并轉(zhuǎn)化為含硒氨基酸，參與硒蛋白的合成，實(shí)現(xiàn)內(nèi)源性的抗氧化和神經(jīng)保護(hù)作用。

圖3. Or/In-Se NPs通過激活硒蛋白逆轉(zhuǎn)細(xì)胞氧化損傷。

    作者進(jìn)一步構(gòu)建了大腦中動(dòng)脈閉塞再灌注小鼠模型，模擬缺血性腦卒中再灌注的病理過程，驗(yàn)證Or/In-Se NPs的體內(nèi)神經(jīng)保護(hù)作用（圖4）。通過連續(xù)三天的Or/In-Se NPs靜脈注射，模型鼠的腦梗死面積顯著減小，行為學(xué)評(píng)分顯著提高，腦組織中硒含量增加，含硒蛋白表達(dá)顯著上調(diào)，胞內(nèi)過氧化產(chǎn)物水平降低。

圖4. Or/In-Se NPs降低缺血性腦卒中再灌注誘導(dǎo)的氧化損傷。

    綜上所述，Or/In-Se NPs通過清晰的化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制整合了有機(jī)硒與無機(jī)硒的優(yōu)勢，兼具外源抗氧化和內(nèi)源硒蛋白激活雙重功能，在缺血性卒中治療中展現(xiàn)出顯著療效。該工作為設(shè)計(jì)具有明確化學(xué)性質(zhì)和作用機(jī)制的高生物活性硒雜化物種提供了獨(dú)特策略。

作者：SYM  審校：ZHR

DOI: 10.1038/s41467-025-62986-2

Link: https://doi.org/10.1038/s41467-025-62986-2