本文要點：本研究講述了一種通過原子工程方法開發的Au22團簇，該團簇具有強烈的近紅外-二區（NIR-II）熒光，并展示了其強大的酶樣活性。相比于Au22團簇，本研究開發的Au21Cu1團簇在抗氧化、過氧化氫酶樣和超氧化物歧化酶樣活性方面分別高出18倍、90倍和3倍，且熒光損失可以忽略不計。這些團簇還可以用于監測順鉑誘導的腎損傷，并在NIR-II光片顯微鏡下實現三維可視化。此外，這些團簇在順鉑處理的小鼠模型中可以抑制氧化應激和炎癥，尤其在腎臟和大腦中。

 

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圖1. Au22團簇的性質和生物醫學應用示意圖

 

如圖2所示，Au22(SG)18團簇的配體是谷胱甘肽，由一個近似橢圓形的Au8核心、兩個三聚體和兩個四聚體構成，是一種穩定的結構模型。透射電子顯微鏡（TEM）圖像和尺寸分布直方圖顯示，Au22團簇的核心尺寸約為1.5nm，表明其具有極小的尺寸。動態光散射（DLS）測定表明，在磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中，Au22的平均動力學尺寸為2.01nm，略大于核心尺寸，這是由于外部配體的伸展造成的。電噴霧電離質譜（ESI-MS）顯示了一個明顯的質荷比（m/z）峰位于約1968.44，對應于[Au22(SG)18-5H]5−的計算分子量，這表明已成功獲得了精確到原子水平的Au22團簇。Au22團簇的特征吸收峰位于515nm，發射中心位于925nm，通過配體和金核之間的電荷轉移，其尾部寬度延伸至1300nm。Au22團簇的量子產率約為0.16%，略低于Au25(GSH)18但高于其他材料。Au22團簇在808nm連續激發下表現出優異的光穩定性，并且在去離子水和PBS中的熒光穩定性也很好，可以保持一個星期。此外，Au22團簇在300至900nm的范圍內也表現出很好的穩定性，一個星期內沒有明顯的信號損失。這些結果表明，Au22團簇具有精確到原子水平的定義、極小的尺寸、優異的水溶性和穩定的結構，非常適合進一步應用。同時，也使用了原子工程方法來改性Au22團簇，引入了不同的金屬元素。

圖2. 金團簇的結構表征

 

Au21Cu1團簇具有單銅原子活性位點，表現出較高的催化活性，催化過程如圖3A所示。吸附劑分子和自由基的吸附強度是催化反應的先決條件。利用密度泛函理論（DFT）測試了Au22和Au21Cu1對不同物種的吸附能（Eads）以研究其對反應性氧和氮物質的吸附能力。同時，還通過2,2'-聯苯二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）方法評估了金團簇的抗氧化特性以確定其生物催化酶樣活性。實驗證明，Au21Cu1團簇的抗氧化活性比Au22團簇高18倍，顯示出出色的抗氧化活性。此外，Au21Cu1團簇表現出對H2O2的高催化降解能力，具有類過氧化氫酶樣催化活性。進一步驗證顯示，Au21Cu1團簇在ONOO−的自由基清除能力方面也表現出較高的效率，相對于純的Au22和其他金屬摻雜團簇，具有更高的清除能力。因此，Au21Cu1團簇在Au22團簇中引入了銅單原子活性位點，從而提升了多種獨特的酶樣催化活性。

圖3. 金團簇的酶樣活性

 

圖4的DFT計算研究了Au21Cu1團簇的電子特性，發現Cu摻雜在團簇的活性位點上后團簇具有更高的過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性。Cu與Au原子的相似性保證了Cu-S鍵的結合非常緊密，Cu在催化過程中容易與外部電子交換并形成鍵。Cu摻雜引入了以前未被識別的能級，表明了其在催化活性中的作用。此外，Au21Cu1團簇顯示出更高的催化活性和抗氧化活性，為其在生物醫學領域的應用提供了有力支持。

圖4. 金團簇的DFT計算研究

 

圖5表明Au22團簇在近紅外-II光譜下能實現腎臟損傷的3D可視化，并能在注射后20到120分鐘內區分和監測急性腎損傷（AKI）。這歸功于其高靈敏度、高特異性和高熒光強度。因此，Au22團簇顯示出用于臨床診斷和監測AKI相關疾病的巨大潛力。

圖5. NIR-II光譜下的光片顯微鏡成像以及金團簇的實時監測過程

 

圖6描述了在體外實驗中對Au22和Au21Cu1團簇進行的生物活性測試。結果顯示，這兩種團簇對人腎小管細胞和小鼠微膠質細胞幾乎沒有毒性，并且可以有效降低氧化應激水平。實驗還模擬了腎損傷對神經系統的影響，并發現金團簇可以減輕神經炎癥，通過調節TLR4表達來實現這一效果。這些實驗結果表明金團簇在治療腎損傷和相關疾病方面具有良好的生物活性和潛力。

圖6. 使用金團簇體外治療順鉑誘導的急性腎損傷

 

為了揭示Au22團簇的生物活性，圖7選擇了順鉑誘導的急性腎損傷（AKI）作為實驗模型。AKI表現為腎功能下降，引發缺血性損傷，伴隨嚴重的氧化應激和炎癥，導致高死亡率以及對其他器官如大腦的并發癥。實驗結果顯示，順鉑誘導的AKI在一段時間內導致嚴重的腎損傷，而在金團簇干預后，腎功能得到顯著恢復。腎功能指標如肌酐和尿素氮的水平顯示出明顯的改善，與此同時，蛋白尿的情況也呈現出類似的趨勢。組織病理學染色進一步證實了順鉑引起的嚴重腎毒性，而金團簇的干預能夠明顯改善腎組織的病理學表現。氧化應激和炎癥水平的指標也顯示，金團簇對抗氧化應激和炎癥具有顯著的保護作用，有助于腎臟的局部保護。這些實驗證明，Au22團簇具有對腎臟的保護作用，通過清除氧化應激物質和減少炎癥反應，促進了腎功能的恢復。
 

圖7. 金團簇治療前后腎臟內的氧化應激和炎癥水平

 

圖8講述了腎臟疾病可能導致多器官功能障礙，特別是與大腦之間存在緊密聯系。順鉑誘導的急性腎損傷而產生的有害分子可對大腦產生影響，消耗掉大腦內源性的抗氧化物質。Au21Cu1團簇可以降低大腦中的有害分子含量，恢復抗氧化酶的水平，顯示出對活性氧的清除能力。對大腦中神經元、星形膠質細胞和小膠質細胞的研究表明，在急性腎損傷后，神經元數量減少，星形膠質細胞和小膠質細胞被激活。Au22和Au21Cu1團簇的干預能夠恢復大部分這些神經細胞。同時，團簇的干預也可以緩解由急性腎損傷引起的神經炎癥反應。這些結果進一步證實了Au22團簇作為酶模擬劑對氧化應激和炎癥相關疾病具有顯著的影響。

圖8. 金團簇治療前后大腦中的氧化應激和炎癥水平

 

此外還討論了急性腎損傷（AKI）對大腦的影響，提出了可能的機制，包括外周炎癥、氧化應激、以及與神經系統疾病相關的色氨酸-酮恩酸代謝通路失調。圖9中實驗證實了順鉑誘導的AKI會導致炎癥因子和活性氧增加，引發炎癥、氧化應激、血管損傷和細胞凋亡。此外，順鉑也會激活TLR4，進一步促成AKI的發病和發展。研究發現，Au22團簇通過抑制膠質細胞活化、清除活性氧并減輕炎癥，保護了腦部。作者還提出了代謝性小分子可能在腎腦相互作用中發揮作用的假設，證明了它們在AKI引起的色氨酸-犬尿氨酸代謝通路中的調節作用。

圖9. 金團簇在急性腎損傷中的腎腦相互作用

 

總的來說，本研究報告了一種原子工程方法，在原子精度的Au22團簇中創建了一個銅單原子活性位點，具有極高的酶模擬活性且不會失去熒光。相比純的Au22團簇，Au21Cu1團簇通過引入銅單原子活性位點，其抗氧化活性提高了18倍。此外，Au21Cu1團簇的CAT樣活性和SOD樣活性分別比Au22團簇高90倍和3倍。密度泛函理論計算表明，Au21Cu1團簇由于失去的電子態具有強大的催化活性。實時熒光成像顯示金團簇可以實現早期疾病監測行為。生物實驗證明，Au22團簇可以抑制受損腎臟和大腦中的氧化應激和炎癥水平。最后，超小金團簇可以通過腎臟清除快速排泄，顯示出在高劑量下無毒性。總的來說，Au22團簇可以是一個生物安全、高效且多功能的平臺，通過原子工程開發具有NIR-II熒光和酶催化活性的多功能試劑。此外，Au22團簇在實時成像和早期干預急性腎損傷等氧化應激和炎癥相關疾病方面顯示出巨大潛力，并有望進行臨床應用。

 

參考文獻

Huizhen Ma, et al. Bioactive NIR-II gold clusters for three-dimensional imaging and acute inflammation inhibition. Science Advances. 2023

 

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