氢氧化钴(Anal Chem丨低共熔溶剂和氧化铈-氢氧化钴纳米片的合理设计)

Posted 2023-05-30

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氢氧化钴(Anal Chem丨低共熔溶剂和氧化铈-氢氧化钴纳米片的合理设计)

Anal. Chem.丨通过低共熔溶剂和氧化铈-氢氧化钴纳米片的合理设计进行乙酰胆碱酯酶的活性监测及天然抗神经系统疾病的药物筛选

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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2022年4月26日

*编辑：俞纪元

阿尔茨海默病（Alzheimer disease, AD）是一种慢性神经系统退行性疾病。临床上以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征，病因迄今未明。研究表明，该病的关键症状为神经递质乙酰胆碱的合成量减少。乙酰胆碱酯酶可催化乙酰胆碱水解为乙酸和硫代胆碱，从而帮助神经递质乙酰胆碱维持在正常的水平。故乙酰胆碱酯酶的活性检测及其抑制剂的筛选至关重要。目前，临床上常用乙酰胆碱酯酶抑制剂（如多奈哌齐、加兰他敏、他克林、溴化新斯的明等）来改善AD患者的认知障碍。这些酶抑制剂类药物虽然可在一定程度减轻或缓解疾病的症状，但也存在药物活性不强、副作用大、患者出现耐药性、疗效下降等不足。天然产物具有资源丰富、安全有效、环境友好和毒副作用小等特点，是天然的酶抑制剂的重要来源之一。从天然产物中成功筛选高效、低毒、价廉的乙酰胆碱酯酶抑制剂具有重要意义。

基于纳米酶的比色传感具有成本低、简便、可视化等优势，在酶活性检测及抑制剂筛选中备受关注。低共熔溶剂（Deep eutectic solvents, DESs）作为一类绿色溶剂，具有制备简单、可生物降解、成本低、设计性强等特点，尤其在调节纳米材料的成核和生长，制备具有高催化性能的纳米材料方面表现出明显的优势。

近期，研究人员首次以L-脯氨酸为氢键供体、六水合硝酸铈为氢键受体合成了新型DESs（图1），结果表明当L-脯氨酸与六水合硝酸铈的摩尔比为1:1时，两者形成的DESs具有最低的玻璃化转变温度（图1A）。结合高斯计算分析，发现L-脯氨酸与六水合硝酸铈的摩尔比为1:1时，Ce(NO3)3中的Ce可提供多个电子对，与L-脯氨酸中的-COO-形成紧密的盐桥。另外，Ce(NO3)3两端的-NO2还可与L-脯氨酸中的-COO-形成氢键作用，两者之间相互作用最强（图1B）。

图1.（A）L-脯氨酸与六水合硝酸铈以不同摩尔比形成的DESs的玻璃化转变温度。不同摩尔比的L-脯氨酸与六水合硝酸铈的三维结合模式图:（B）1:1，（C）1:2，（D）2:1。

随后，研究人员以的DES为CeO2-Co(OH)2纳米材料（图2），实验表明在DESs中制备的CeO2-Co(OH)2纳米片比在水溶液中制备的Co(OH)2、CeO2和CeO2-Co(OH)2材料具有更好的形貌和更显著的类氧化酶活性，其显著的类氧化酶活性主要是由于DESs中制得的CeO2-Co(OH)2具有更丰富的氧空位（图2）。基于CeO2-Co(OH)2材料优异的类氧化酶活性构建了可视化检测乙酰胆碱酯酶活性和不可逆抑制剂筛选的新方法（图3），并使用纸基传感器作进一步验证。

图2. （A）DES辅助合成CeO2-Co(OH)2纳米片的示意图。（B）CeO2-Co(OH)2纳米片的XRD，（C）EDX，（D）SEM，（E）TEM，（F）HRTEM，（G）SAED及（H）STEM-EDS mapping表征。

图3. （A）乙酸缓冲液中CeO2-Co(OH)2+TMB和TMB的紫外-可见光谱。（B）CeO2-Co(OH)2（DESs），CeO2-Co(OH)2（H2O），Co(OH)2和CeO2的类氧化酶活性比较。（C）含有TMB的乙酸缓冲液中CeO2-Co(OH)2，AChE + CeO2-Co(OH)2，ATCh + CeO2-Co(OH)2和AChE + ATCh + CeO2-Co(OH)2的紫外-可见光谱。（D）加入不同浓度的乙酰胆碱酯酶后CeO2-Co(OH)2体系的紫外-可见光谱。（E）吸光度变化与乙酰胆碱酯酶活性之间的线性关系。ΔA = A0−A，A0和A分别为无乙酰胆碱酯酶和有乙酰胆碱酯酶时反应溶液在652 nm处的吸光度值。（F）在干扰物质作用下，CeO2-Co(OH)2/TMB体系在652 nm处的吸光度值。插图：相应的实物图照片。

在此基础上，研究人员以乙酰胆碱酯酶的可逆抑制剂—溴化新斯的明作为对照，研究了五种生物碱类天然产物（盐酸小檗碱、咖啡因、喜树碱、苦参碱和吴茱萸碱）对乙酰胆碱酯酶的抑制效果，结果表明盐酸小檗碱与乙酰胆碱酯酶的相互作用最强，抑制效果最好（图4）。通过分子对接和动力学模拟实验进一步探讨了其作用机理，发现盐酸小檗碱能够插入蛋白质的结合口袋并占据大部分的结合空腔，进而与蛋白质的多个氨基酸形成较好的几何匹配和理化性质结合模式，包括氢键以及疏水结合。

该结果不仅拓展了DESs在纳米酶中的应用，而且为从天然产物中筛选阿尔茨海默病等神经退行性疾病的治疗药物提供了一种新策略。

图4. CeO2-Co(OH)2纳米材料用于乙酰胆碱酯酶活性检测及抑制剂筛选

相关成果在线发表在Analytical Chemistry，兰州化物所陈佳副研究员、邱洪灯研究员和东北大学于永亮教授为共同通讯作者。

撰稿：陈佳

审阅：林活跃

编辑：王嘉正

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