武漢大學張先正團隊Adv. Sci.: 利用生物正交反應構建細菌生物反應器用于緩解重金屬中毒和清除活性氧（ROS）

【背景介紹】

長期暴露在重金屬，如鎘（Cd）、鉛（Pb）和汞（Hg）等污染的環境中，對人類健康產生了極大的危害。重金屬中毒可能會導致機體蛋白質失活，破壞體內氧化應激平衡，并且會干擾人體必需金屬元素發揮正常的功能，從而對機體產生嚴重的毒性。現今生活環境中廣泛存在重金屬鉛，例如汽車尾氣、工業廢水和裝修材料等，急性或慢性過量攝入鉛會導致神經衰弱、心血管疾病和腎臟疾病等，尤其會嚴重影響兒童的智力發育。目前，臨床上對急性鉛中毒通常采用藥物（DMSA或EDTA）療法和血液透析療法，但是這些治療方式費用高、不具備特異性，還會造成強烈的副作用。而且目前存在的臨床治療手段基本不能預防慢性鉛中毒。因此，開發實用且經濟的治療鉛中毒的療法是非常有必要的。

有研究表明，細菌對自然界中的重金屬具有一定的抗性。細菌主要通過生物吸附的手段高效降低金屬離子含量。納米技術可以對細菌進行修飾，進而用于多種疾病的治療。另據報道，二氧化鈰是一種在生理pH值環境中也同樣具有優良抗氧化活性的抗氧化劑。基于以上二者的特性，利用生物正交反應實現細菌與無機納米粒子快速且穩定的結合，構建具有特異性、低毒性以及高效的生物反應器，從而實現過量有毒金屬被細菌清除，鉛中毒造成的機體氧化應激失衡同時被氧化鈰修復。

【成果簡介】

近日，武漢大學的張先正教授（通訊作者）團隊報道了一種基于細菌的生物反應器（Bac@Ceria），可精確地降解鉛（Pb）離子，并消除伴隨鉛中毒產生的活性氧（ROS），以緩解急性/慢性鉛中毒的傷害。通過生物正交反應，在非致病性菌MG1655（Bac）的表面修飾上抗氧化的二氧化鈰納米粒子（Ceria）。該生物反應器可以自發地聚集在鉛離子高度富集的肝腎等器官中，細菌清除過量的鉛離子，同時二氧化鈰消除鉛中毒所產生的ROS。體外和體內實驗表明，這種生物/非生物雜化生物反應器成功實現了鉛離子的解毒和機體的損傷修復，而且幾乎沒有毒副作用。研究成果以題為“Bio‐Orthogonal Bacterial Reactor for Remission of Heavy Metal Poisoning and ROS Elimination”發表在國際著名期刊Adv. Sci.上。

【圖文解讀】

圖一、Bac@Ceria的作用示意圖、清除重金屬離子的細菌的篩選以及細菌降解重金屬離子的機理探究
（a）基于細菌的生物反應器實現解毒和機體損傷修復的機理；

（b）多種細菌對不同重金屬的生物降解率；

（c）細菌與鉛離子共培養后，表面Pb的價態；

（d）細菌與鉛離子共培養后，表面的元素分布。

圖二、對Bac@Ceria以及生物正交反應成功發生的表征
（a）Ceria的TEM圖像；

（b）Ceria、Ceria-NH₂和Ceria-NH₂-DBCO的水合粒徑；

（c）以不含生物正交反應基團的Bac和Ceria做對照，通過共聚焦顯微鏡表征Bac-N₃與Ceria-DBCO的結合能力；

（d）Bac@Ceria的TEM圖像；

（e-f）EDX檢測Bac@Ceria表面的元素分布；

（g）將Bac-N₃和Bac分別包埋在瓊脂糖水凝膠中，分別用Ceria-DBCO和Ceria處理后，通過熒光強度表征Ceria-DBCO和Bac-N₃之間的生物正交反應

（h）通過TA法檢測Bac@Ceria及其各組分消除?O₂^-的能力；

（i）通過MB法檢測Bac@Ceria及其各組分消除H₂O₂的能力。

圖三、利用細胞實驗以及斑馬魚實驗評估Bac@Ceria及其各組分的生物學效應
（a）與不同濃度的細菌孵育24 h后，COS7和3T3細胞的存活率；

（b）與不同濃度的Bac@Ceria孵育24 h后，COS7和3T3細胞的存活率；

（c）Ceria、Bac、Bac@Ceria與COS7和3T3細胞共培養時清除ROS的能力；

（d）在鉛中毒環境中，細菌對COS7和3T3細胞的保護作用；

（e）在鉛中毒環境中，細菌對斑馬魚幼蟲中NMDA受體的mRNA表達的影響；

（f）不同濃度的鉛（有無細菌處理）后斑馬魚胚胎的孵化率；

（g）在鉛中毒環境中，細菌對斑馬魚胚胎發育的保護作用。

圖四、在慢性中毒小鼠模型中，Bac@Ceria的體內治療效果
（a）在慢性鉛中毒小鼠中，Bac@Ceria的治療示意圖；

（b）細菌處理后，小鼠腸道中菌群類型分布情況；

（c）經過不同的處理之后，慢性鉛中毒小鼠腸道組織中的髓過氧化物酶（MPO）含量；

（d）經過不同的處理之后，慢性鉛中毒小鼠各器官中的鉛含量；

（e）經過不同的處理之后，慢性鉛中毒小鼠血液中的鉛含量；

（f）經過不同的處理之后，慢性鉛中毒小鼠的生存曲線；

（g）經過不同的處理之后，水迷宮實驗表征慢性鉛中毒小鼠的神經發育情況；

（h）經過不同的處理之后，慢性鉛中毒小鼠腦、肝和脾等組織的H＆E染色。

圖五、在急性中毒小鼠模型中， Bac@Ceria的體內治療效果
（a）經過不同的處理之后，Bac@Ceria及其各組分在小鼠體內各器官的分布情況；

（b）Bac@Ceria治療急性鉛中毒小鼠的示意圖；

（c）ICP-MS檢測急性鉛中毒小鼠不同器官中的Ce含量。

（d）經過不同的處理之后，急性鉛中毒小鼠血液中的鉛含量；

（e）經過不同的處理之后，急性鉛中毒小鼠各器官中的鉛含量；

（f-h）經過不同的處理之后，急性鉛中毒小鼠腸道組織中SOD、GSH-px和MPO的含量；

（i）Bac@Ceria處理后小鼠的體溫曲線變化；

（j-k）經過不同的處理之后，小鼠的血生化指標。

【小結】

綜上所述，作者構建了一種用于降解重金屬和清除鉛中毒產生的ROS的生物反應器-Bac@Ceria。Bac@Ceria中，非致病菌作為智能機器人用于靶向病灶和解毒，而二氧化鈰則作為清除ROS和修復機體的抗氧化劑。實驗結果表明，無論靜脈注射還是口服，Bac@Ceria均具有良好的降解重金屬和機體修復作用。與目前的療法相比，本文中報道的Bac@Ceria具有靶向性好、穿透力強、效率高、副作用小等優勢。總之，該工作為智能降解重金屬急性或者慢性中毒以及消除其伴隨的氧化應激失衡提供了一種新思路。

文獻鏈接：Bio-Orthogonal Bacterial Reactor for Remission of Heavy Metal Poisoning and ROS Elimination. (Adv. Sci., 2019, DOI: 10.1002/advs.201902500)

本文由CQR編譯。

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