仿生纳米酶通过抗氧化应激和GPX4修复的协同效应来抑制铁死亡以缓解阿霉素引起的心脏毒
背景
心脏毒性是抗肿瘤药物阿霉素治疗中常见的副作用，严重的心脏损伤，降低了阿霉素治疗效果。这种毒性主要与诱导细胞凋亡和细胞坏死的机制有关，其中一种新的细胞死亡方式是铁死亡。铁死亡是通过细胞内游离铁引起的氧化应激和过氧化脂质产物 (lipid peroxidation) 导致的，而谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4) 是铁死亡的主要抗氧化酶。因此，为了减轻阿霉素诱导的心脏毒性，需要开发新的治疗方法来抑制铁死亡。
本文研究一种新型的纳米酶，即仿生纳米酶。仿生纳米酶类似于自然酶，具有类似于自然酶的催化活性，但可以通过调节其表面的化学官能团和晶体生长条件来实现对其形态和性质的调节。这种仿生纳米酶可以模拟谷胱甘肽过氧化物酶4的活性，通过抑制氧化应激和铁死亡来减轻阿霉素诱导的心脏毒性。此外，这种仿生纳米酶可以通过诱导生物矿化来在心脏内部稳定地存在。
基于此，天津医科大学第二医院刘彤教授团队发表了“Biomimetic Nanozymes Suppressed Ferroptosis to Ameliorate Doxorubicin-Induced Cardiotoxicity via Synergetic Effect of Antioxidant Stress and GPX4 Restoration”的文章，研究表明，仿生纳米酶具有潜在的治疗心脏毒性的能力，可以作为一种新型的药物递送平台，为阿霉素诱导的心脏毒性提供新的解决方案。
该图分为两部分。一部分描述了阿霉素引起的心脏毒性机制，包括氧化应激、线粒体功能障碍、铁死亡等过程。另一部分则是描述了仿生纳米酶的应用，包括纳米酶的制备和性质，以及它们在抗氧化应激和铁死亡方面的作用。此外，还展示了纳米酶的生物矿化作用，该作用可以促进仿生纳米酶的稳定性和生物相容性。、
关键词
阿霉素诱导的心肌病、铁死亡、线粒体、纳米酶、氧化应激、生物矿化
方法
此次研究中涉及多种检测技术，文中采用多通道系统（EMS64-USB-1003，MappingLab Ltd.，英国）记录在体小鼠左心室心外膜表面的数据，使用6×6电极微电极记录心外膜激活电学标测。使用EMapScope 4.0软件（MappingLab Ltd.，英国）计算了传导速度（CV）、不均一指数和绝对不均一性的数据。
结果
1.制备的CeO2@BSA NP的表征结果
研究合成了一种具有较高催化活性的核酸酶模拟物CeO2@BSA NP，并通过图2展示了其形貌和结构。图2A显示颗粒呈球形形态，平均直径约为3nm。图2B和2C揭示CeO2@BSA颗粒表面有大量官能团，Ce和O元素的XPS光谱显示在528-538 eV和900-940 eV处有明显的Ce3+和O2-特征峰。图2D显示CeO2@BSA具有良好的水溶性和高稳定性。图2E和2F表明CeO2@BSA具有强烈的过氧化氢酶活性和抗氧化能力。图2G和2H表明CeO2@BSA能有效降低ROS水平，减轻细胞损伤。
2.CeO2@BSA NPs的体外杂合酶模拟活性
结果表明，CeO2@BSA NPs具有较高的过氧化氢酶活性和较强的氧化应激保护作用。Figure 3A显示CeO2@BSA具有较强的过氧化氢酶活性，在低浓度下呈现出良好的催化效果。Figure 3B则表明CeO2@BSA在存在H2O2的条件下具有不错的超氧化物歧化酶活性，可以分解ROS，保护细胞不受氧化应激的损害。
3.CeO2@BSA NPs通过预防心肌细胞中的铁死亡，保护阿霉素诱导的心脏毒性（DIC）
研究人员使用了体外和体内模型来评估CeO2@BSA NPs对心肌细胞中铁死亡的保护作用。他们发现，在体外模型中，CeO2@BSA NPs可以抑制铁死亡并减少ROS的积累。在体内模型中，CeO2@BSA NPs可以减轻阿霉素诱导的心肌损伤，并降低了心肌细胞中铁死亡的程度。
进一步研究发现，CeO2@BSA NPs可以提高GPX4的表达，并减少了细胞内脂质过氧化的程度。此外，CeO2@BSA NPs还可以减少阿霉素诱导的心肌细胞凋亡和细胞死亡，并促进细胞的存活。
这些结果表明CeO2@BSA NPs可以通过抑制铁死亡和恢复GPX4的功能，保护心肌细胞免受阿霉素诱导的心肌毒性的损害。
4. CeO2@BSA NPs对阿霉素诱导的小鼠心脏结构和电重构具有预防和治疗效果
通过小鼠模型研究表明，DOX组小鼠体重明显降低，健康状况较差，但经过Fer-1和CeO2@BSA NPs干预后得到改善。
超声心动图结果显示，DOX组小鼠心脏舒张和收缩功能异常，表现为左心室射血分数（LVEF）下降、左心室短轴缩短率（LVFS）降低、左心室内径（LVID）增大和左心室容积（LV Vol）扩张，但在Fer-1和CeO2@BSA NPs干预后得到逆转。小鼠心电图数据显示DOX组PR间期显著延长，而CeO2@BSA NPs干预后恢复正常。DOX组小鼠血清cTnI和NT-proBNP显著升高，但在干预组中下降。
心外膜标测结果显示，DOX组的左心室传导速度明显降低，并伴有较高的左室传导离散度，这与之前的临床试验结果一致，可能是DOX引起的恶性室性心律失常的基础。然而，Fer-1和CeO2@BSA NPs均恢复了上述心脏电传导异常，但CeO2@BSA NPs明显优于Fer-1。
此外，CeO2@BSA NPs干预组小鼠体内抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）和MDA水平的恢复也比Fer-1干预组更明显。组织形态学方面，DOX组小鼠心肌组织结构破坏，心肌细胞广泛空泡化，无序排列，但在CeO2@BSA和Fer-1干预组中得到逆转。总体而言，本研究表明CeO2@BSA NPs可能是逆转由DIC引起的心肌结构和电生理重塑的有前途的治疗候选药物。
5. CeO2@BSA NPs通过恢复GPX4的表达和改善线粒体功能和稳态，展现了对铁死亡的保护作用
线粒体的损伤是导致铁死亡的重要因素之一，并且在DOX组中观察到了线粒体的异常形态。具体来说，DOX组的线粒体比NS组更小、双层密度更高、线粒体嵴减少，这与之前的研究一致。此外，本研究还发现，CeO2@BSA NPs和Fer-1可以逆转线粒体损伤，从而抑制铁死亡。GPX4被认为是铁死亡的核心调控因子，其催化活性可以减轻脂质过氧化物毒性，维持膜脂质层的稳态，从而抑制铁死亡。本研究发现，DOX组中GPX4的表达水平显著降低。同时，文章还介绍了mtTFA、PGC-1α和DRP1等与线粒体稳态和功能相关的蛋白质，在DOX组中也出现了异常表达。
6. CeO2@BSA NPs的体内代谢和生物相容性
通过尾静脉注射的方式，评估了CeO2@BSA NPs的生物相容性。利用ICP-MS分析方法测定了主要器官中的铈含量。心脏中CeO2@BSA NPs的代谢比等量Ce(NO3)3的铈含量更为持久，这表明生物仿生矿化提供了高稳定性（图7A和S7）。与之前的一项研究结果一致，铈在主要组织和器官中的代谢主要通过肝胆系统进行（图S8）。常规血液检查（图7B-F）、肝功能检查（图7G-I）、肾功能检查（图7J-K）、主要器官形态学变化（图7L）以及注射后一周无明显体重减轻（图S9）的结果表明，CeO2@BSA具有优异的生物相容性和低毒性。这为开发新型心肌细胞凋亡调节剂，缓解癌症患者的DIC并提高其预后和生活质量提供了可能性。
7. 研究局限性
本研究存在一些局限性。首先，我们没有在体内或体外阻断线粒体氧化的GPX4途径，因此我们无法进一步阐明CeO2@BSA NPs通过什么信号通路改善线粒体功能。其次，我们只评估了CeO2@BSA NPs对心肌细胞的影响，而未研究NPs对成纤维细胞、免疫细胞、间皮细胞、内皮细胞或细胞间通信的潜在影响。
结论
研究表明，以生物仿生矿化法制备的CeO2@BSA NPs能够通过调节抗氧化应激和GPX4表达，从而维持线粒体稳态和功能，并恢复线粒体依赖性的铁死亡，从而发挥对DIC的保护作用。此研究为了解铁死亡在DIC中的作用提供了新的见解，并且纳米酶可能成为一种有前途的预防和治疗方案，作为一种新型的心肌细胞铁死亡保护剂，有望减轻DIC并改善癌症患者的预后和生活质量。
