饮酒因其社交和放松作用而广受欢迎，但其对公共健康构成重大风险。尽管静脉注射天然酶复合物对解酒具有积极作用，但常因为所得酶活性不足，易导致中间毒性代谢产物乙醛堆积等原因限制其应用。基于此，来自根特大学的Raffaele Mezzenga教授团队通过采用仿生纳米酶淀粉样水凝胶作为口服催化平台，提出了一种有效的酒精解毒解决方案。在该平台中，单点铁锚定淀粉样原纤维是一种原始的原子级工程纳米酶，具有与辣根过氧化物酶类似的配位结构，并具有显著的过氧化物酶样活性，可有效催化酒精氧化成乙酸，而不是毒性更大的乙醛。在促进酒精分解的同时，该平台有助于肝脏的保护，同时减轻了与长期饮酒相关的肠道损伤和生态失调，为有效的酒精解毒引入了一种有前景的策略。
首先作者展示了单一位点铁锚定的β-乳球蛋白纤维（FeSA@FibBLG）的合成步骤（图1 a）,包括β-乳球蛋白(BLG)纤维的分散、自由基生成、铁离子引入、Fe-N-C活性位点形成以及通过冷冻干燥技术收集产物。并通过透射电子显微镜（TEM）揭示了FeSA@FibBLG的纳米纤维形态，显示出与纯BLG纤维相似的纳米级直径（图1 b）。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像（图1 c）和相应的能量色散X射线光谱（EDS）映射图像（图1 d）进一步证实了铁在BLG纤维框架中的高度均匀分散。原子力显微镜（AFM）图像（图1 e-f）以及它们在云母表面上的高度轮廓（图1 g）确认了铁整合后纤维的一致高度约为3纳米，表明没有形成晶体铁或氧化物物种。代表性的HAADF-STEM图像（图1 h）中显示的小于0.2纳米的单个亮点，清晰地证明了铁原子以单一位点的形式原子级分散在FeSA@FibBLG上。这些结果共同证实了FeSA@FibBLG的成功合成，并且铁原子通过Fe-N配位与BLG纤维有效结合，形成了活性位点。
接着通过一系列光谱技术分析了FeSA@FibBLG中铁原子的原子结构和配位环境。X射线吸收近边结构（XANES）光谱揭示了FeSA@FibBLG中铁原子处于较低的氧化状态，并表现出与铁箔和Fe2O3不同的配位环境（图2 a）。通过傅里叶变换得到的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱，观察到FeSA@FibBLG中铁原子与氮原子之间存在单一配位峰，这一发现证实了铁原子在材料中的单一位点分散性（图2 b）。EXAFS数据的小波变换分析进一步区分了铁与氮原子的配位贡献，突出了Fe-N键的特征（图2 c）。通过对EXAFS数据的拟合分析，得到了铁原子配位数的定量估计值约为4.5，这一结果进一步强化了铁原子主要以单一位点形式与氮原子配位的观点（图2 d）。全原子分子动力学（AAMD）模拟构建了BLG纤维的结构模型（图2 e），而密度泛函理论（DFT）模拟结果揭示了铁离子与BLG纤维中氮原子之间的强相互作用（图2 f），这种相互作用可能是通过铁和氮原子间电子对的共享而实现的。这些综合分析结果为理解FeSA@FibBLG的催化活性提供了坚实的结构基础。
接下来通过一系列实验，展示了
FeSA@FibBLG
的类过氧化物酶活性及其在催化乙醇和乙醛氧化方面的高效性能。首先通过改变纳米酶浓度得到的
Michaelis-Menten
曲线，评估了
FeSA@FibBLG
、
FeSA@BLG
和
FeNP@FibBLG
在催化氧化
TMB
（一种过氧化物酶的人工底物）时的活性（图
3 a
）。并对比了这些纳米酶在
TMB
氧化中的比活性，揭示了
FeSA@FibBLG
的优越性（图
3 b
）。
Michaelis-Menten
曲线分析，评估了纳米酶在催化乙醇和乙醛氧化中的活性，进一步证实了
FeSA@FibBLG
在催化这些底物时的高效性能（图
3 c-f
）。电子顺磁共振（
EPR
）谱图，反映了不同纳米酶产生的羟基自由基（
OH·
）的数量，其中
FeSA@FibBLG
显示出最强的信号，表明其在催化乙醇氧化过程中产生了大量的
OH·
（图
3 g
）。并绘制了示意图，解释了
FeSA@FibBLG
在接触
TMB
、乙醇和乙醛等不同底物时的类过氧化物酶活性（图
3 h
），为理解其在催化解毒过程中的作用机制提供了直观感受。
然后作者综合评估了单一位点铁锚定的淀粉样蛋白水凝胶（FeSA@AH）在预防急性酒精中毒中的潜在效果。首先展示了FeSA@AH的自支撑能力和可注射性，以及在偏光显微镜下的图像（图4 a）。microPET-CT成像技术追踪了[18F]FDG标记的FeSA@AH在小鼠胃肠道中的转运过程（图4 b）。通过构建急性酒精中毒的小鼠模型，展示了不同处理条件下（包括PBS、AH和FeSA@AH）小鼠的酒精耐受时间和恢复清醒时间的差异（图4c-d），从而揭示了FeSA@AH在加速酒精代谢中的潜在作用（图4 c-d）。通过Morris水迷宫（MWM）测试，研究者们评估了小鼠的空间参考记忆能力，包括逃逸潜伏期和路径长度的测量（图4 e-g），这有助于了解酒精中毒对认知功能的损害以及FeSA@AH可能的神经保护效果。并测量酒精中毒小鼠血液中酒精和乙醛的浓度，展示了FeSA@AH处理酒精代谢较高的能力（图4 h-i）。最后评估了不同处理组小鼠血清中ALT和AST酶的水平，进一步揭示了FeSA@AH对肝脏保护的潜在效果（图4 j）。
最后评估了
FeSA@AH
在预防慢性酒精中毒中的潜在效果。首先构建了慢性酒精中毒模型，并记录了实验期间不同处理组小鼠体重的变化，反映了酒精对小鼠健康的影响（图
5 a-b
）。小鼠肝脏的苏木精
-
伊红（
H&E
）染色图像和小鼠血清中的
ALT
和
AST
水平，反映了对肝脏损伤的程度（图
5 c-d
）。结肠组织的
H&E
染色图像和损伤评分以及免疫荧光染色评估了结肠中紧密连接蛋白（与肠道屏障功能的破坏有关）的表达（图
5 e-f
）。高通量测序分析了粪便样本中的肠道菌群组成，揭示了酒精对肠道菌群结构的影响（图
5 g
）。并描述了酒精在小鼠体内的代谢途径，以及
FeSA@AH
如何参与及改善这一过程（图
5 h
）。通过测量小鼠血液中内毒素（
LPS
）浓度的变化，为
FeSA@AH
在保护肠道功能状态提供了生物学证据（图
5 i
）。上述结果综合说明了
FeSA@AH
在预防慢性酒精中毒中的多方面潜在益处，包括对肝脏和肠道健康的保护作用，以及对肠道菌群组成的调节作用。
综上，该文章成功构建了一种单一位点铁锚定的淀粉样蛋白水凝胶（FeSA@AH），该材料对酒精具有显著的催化氧化能力，能够有效地作为体内酒精代谢的催化平台。FeSA@AH在催化酒精氧化时表现出对生成乙酸的高选择性，能够迅速降低血液中的酒精水平，同时避免了乙醛积累带来的风险，其效果超越了现有依赖天然酶的解毒剂。与人体内部以肝脏为中心的酒精代谢途径不同，FeSA@AH的口服给药方式将酒精代谢过程引导至胃肠道，这种策略不仅提高了肝脏的安全性，还避免了额外的胃肠道不良反应。更重要的是，FeSA@AH在不引起不良胃肠道症状的同时，还能显著减轻酒精引起的肠道损伤和菌群失调，这进一步证明了其在临床应用上的潜力。本研究不仅为酒精解毒提供了新的解决方案，也为生物医学材料在治疗其他疾病方面的应用提供了新的思路。
该研究由根特大学Raffaele Mezzenga教授团队完成，并于2024年5月13日在线发表于Nat Nanotechnol。
论文信息：Jiaqi Su#, Pengjie Wang#, Wei Zhou, Mohammad Peydayesh, Jiangtao Zhou, Tonghui Jin, Felix Donat, Cuiyuan Jin, Lu Xia, Kaiwen Wang, Fazheng Ren, Paul Van der Meeren , F Pelayo García de Arquer, Raffaele Mezzenga. Single-site iron-anchored amyloid hydrogels as catalytic platforms for alcohol detoxification. Nat Nanotechnol 2024，s41565-024-01657-7.
供稿：陆凯
审校：陈嵩
编辑：江浩
