生命系统中过量产生的活性氧（ROS），包括过氧化氢（H₂O₂）、超氧阴离子（O^2-）、羟基自由基（·OH）和单线态氧（¹O₂），会导致DNA损伤、蛋白质变性、脂质过氧化和其他生物分子失活，进而导致有害的细胞功能障碍、组织再生障碍，甚至难治性慢性疾病，如神经创伤、心肌梗死、类风湿性关节炎、骨缺损和糖尿病等。如今，为了对抗各种疾病中的氧化应激，特别是基于干细胞的生物疗法，天然抗氧化酶因其高度的特异性和催化活性而被广泛用作清除ROS的有效生物催化剂。然而创制兼具高催化活性及稳定性的类过氧化氢酶材料极具挑战性，也是实现干细胞在炎性损伤病变部位治疗的关键，这一领域目前还未见突破性研究进展。

近期，我院程冲研究员及华西口腔叶玲教授合作，通过模仿天然过氧化氢酶的Fe-N活性中心，设计了一种具有Ru催化中心能够用于干细胞保护的ROS清除人工生物催化剂。在本工作中，团队首先采用Ru-N配位催化中心构筑了一种可以高效仿CAT催化活性的新型类过氧化氢酶材料，即在氮化碳（CN）骨架上设计具有孤立Ru位或协同Ru簇的Ru-N配位人工生物催化剂，通过一系列化学和生物实验系统地揭示了不同Ru位清除ROS的活性优点和结构多样性。实验研究和理论计算证实，合成的含Ru团簇的人工生物催化剂具有优异的ROS消除活性，比天然抗氧化剂和更早报道的ROS清除生物催化剂更有效。此外，系统的干细胞研究和生物安全评价表明，含Ru簇中心的人工生物催化剂可以在高ROS水平下为人骨髓间充质干细胞（hMSCs）的存活、黏附和分化功能（成骨和成脂）提供有效的保护能力；同时，Ru-CN生物催化剂在短期接触中表现出良好的生物安全性；其有望用于多种临床抗氧化治疗领域。

图1. Ru-CN人工生物催化剂的设计与结构表征

该项研究工作创新性地揭示了不同Ru位点作为ROS清除人工生物催化剂的活性优点和结构多样性。得益于金属电子结构和多位点的协同作用，具有Ru簇中心的人工生物催化剂表现出优异的ROS清除活性，其中每个Ru原子分解过氧化氢的催化效率比孤立的单原子Ru都要高得多，该研究报道的催化剂比天然抗氧化剂和最近报道的ROS清除生物催化剂的效率更高。系统性的干细胞保护研究表明，类过氧化氢酶人工生物催化剂可以在高活性氧水平条件下为人间充质干细胞的存活、粘附和分化功能提供有效的拯救能力。本研究报道的具有Ru簇中心的人工生物催化剂将为基于干细胞治疗和其他ROS相关疾病中高性能ROS清除材料设计提供新途径，也为实现具有高生物催化活性的人造酶材料的合成提供了一条很有前途的全新道路。相关研究成果发表在Advanced Materials期刊上。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202206208

撰稿：程冲

编辑：杨燕玲

审核：刘向阳