近日，我院超声医学研究室邱逦教授、马朗副研究员、唐远姣副主任医师团队在Advanced Science（IF：15.1）发文。文章系统讨论了工程细胞膜涂层的催化剂作为人工过氧化物酶体（artificial peroxisomes, APEXs）在生物医学应用中的研究进展：从APEXs的催化剂核到APEXs外层细胞膜的提取及功能，再到APEXs的生物医学应用，提出并概括了APEXs的前景和挑战。
我院硕士研究生杨冬梅为第一作者，超声医学科/研究室邱逦教授、马朗副研究员、唐远姣副主任医师为共同通讯作者，我院为第一作者和通讯作者单位。
人工过氧化物酶体（artificial peroxisomes, APEXs）或过氧化物酶体模拟物在纳米医学和生物材料科学领域受到了广泛关注，在临床诊断和治疗疾病方面具有巨大的潜力。APEXs由半透膜包裹天然酶或模拟酶催化剂构成，有过氧化物酶体/模拟酶活性。近年来，APEXs在生物催化稳定性、可调节活性和表面功能方面的快速发展，极大地促进了APEXs系统在现实生活中的应用。此外，也需要开发一种能够模拟多种生物催化过程的简单通用系统。
图1. APEXs的壳核结构和生物医学应用
一、APEXs的催化剂核
天然酶是由氨基酸组成的蛋白质，能促进生物体内发生的各种生物反应，在温和条件下具有高选择性和催化活性。天然酶因其无毒性和良好的生物相容性也被用于疾病的诊断或治疗。葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）可氧化葡萄糖生成葡萄糖酸和H2O2，这种催化反应过程可用于疾病的诊断或治疗。过氧化物酶（peroxidase, POD）也在生物医学中有广泛的应用，辣根过氧化物酶（horse radish peroxidase, HRP）就是其中一种，HRP是一种在植物中发现的糖蛋白，在H2O2存在下催化芳香族底物氧化并产生羟基自由基(·OH)。与GOx和POD不同的是，还有一部分天然酶有抗氧化作用。比如过氧化氢酶（catalase，CAT）可分解H2O2产生氧气。因此CAT可用于减轻H2O2相关的损伤，如炎症、干细胞保护和骨再生。此外，还可用于调节肿瘤中的缺氧微环境。与CAT类似，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）也是一种抗氧化酶，SOD能催化·O2-产生H2O2和O2可以通过清除自由基或活性物质来减少蛋白质和DNA的氧化损伤。
图2. 仿酶制剂和APEXs的发展历程
虽然许多天然酶和生物大分子具有很高的催化活性和选择性，但却存在大量的内在局限性。研究人员通过生物矿化、脂质体包衣和树突状分子的结合提高了天然酶的稳定性。然而，天然酶的高成本、难回收等缺点限制了天然酶的应用，从而促进了仿酶催化剂的出现和发展。因此，研究者们合成了具有酶模拟活性的材料，其具有稳定性好、成本低、催化活性可调节等特点。文章介绍了四种氧化还原酶的模拟材料：GOx模拟酶、POD 模拟酶、CAT模拟酶、SOD模拟酶，它们均可作为天然酶的替代品用于疾病的诊断和治疗。虽然酶模拟催化剂的出现，可克服天然酶不稳定、成本高、催化活性不可调节等特点，但是生物体内复杂的微环境是利用天然酶和模拟酶催化剂进行疾病诊断和治疗的主要障碍。当它们进入机体后，被内皮网状系统识别和清除，导致循环时间短、靶向积累不足。
二、APEXs外层的细胞膜
图3. 细胞膜的提取
根据是否有细胞核，细胞膜的提取方法不同。研究团队通过离心或单独培养获得细胞，通过反复细胞冻融或低渗裂解获得细胞膜，再通过离心去除可溶性蛋白，得到纯化的细胞膜碎片，然后通过聚碳酸酯多孔膜挤压，生成细胞膜衍生的纳米囊泡。真核细胞膜的提取相对复杂，需要通过不连续的蔗糖梯度离心去除细胞内的囊泡、生物大分子和细胞核。
图4. 不同细胞膜的特点
不同来源的细胞膜有不同特点，比如红细胞膜可以增加血液循环时间和稳定性；血小板膜可以增加免疫逃逸、黏附抗原、靶向肿瘤；巨噬细胞膜可结合免疫调节分子CSF1、穿过血脑屏障；肿瘤细胞膜可特异性识别和靶向源肿瘤；脂质体膜可增强渗透和保留效应；细菌外膜囊泡可调节免疫和重编程肿瘤微环境；外泌体可靶向肿瘤、免疫逃逸。
三、APEXs的生物医学应用
APEXs已被用于诊断和治疗疾病，包括癌症、炎症、中风、神经退行性疾病等。
图5. APEXs的生物医学应用
一、抗肿瘤治疗：APEXs可通过三种方式实现肿瘤治疗：1、增加活性氧水平来杀死癌细胞；2、调节肿瘤微环境，如消耗葡萄糖进行饥饿治疗；3、增加氧气水平来协同增强其他疗法。
二、抗氧化和抗炎治疗：APEXs的催化剂核的抗氧化性能结合APEXs细胞膜的长血液循环时间和炎症靶向能力可实现抗氧化和抗炎治疗。
三、神经元保护：血脑屏障的存在是治疗脑部疾病的主要障碍。APEXs的天然细胞膜外壳可协助内部的催化剂核进入病灶区。
小结
尽管各种膜涂层催化剂已被开发并用于生物医学应用，但潜在的挑战、膜的来源、膜提取和涂层技术阻碍了短期的临床应用。因此APEXs还需要进一步发展：一、寻找更稳定的真核细胞膜来源，探索更简单的真核细胞膜提取方法。二、合理设计特异性、高效的催化剂，促进APEXs在生物医学上的应用。三、探索新的细胞膜涂层纳米技术，使APEXs的生产简单、有效、可重复。四、系统、综合的评价APEXs的生物安全性。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202206181
