中大新聞網(wǎng)訊（通訊員陳永明）人體內(nèi)過(guò)量的游離核酸可被核酸感受器識(shí)別而引起先天性免疫反應(yīng)，釋放出腫瘤壞死因子TNF-a或I型干擾素而產(chǎn)生嚴(yán)重的自身免疫疾病。陽(yáng)離子聚合物可清除游離核酸而抑制其引起的炎癥反應(yīng)（團(tuán)隊(duì)前期研究：Nat Commun 2018; Angew Chem 2019; Sci Adv 2020; Adv Funct Mater 2020; Biomaterials 2021, 2022），然而陽(yáng)離子聚合物材料存在較大的細(xì)胞毒性，在應(yīng)用中可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)，并且被材料結(jié)合游離核酸的藥代也需要闡明。為了解決這一問(wèn)題，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院陳永明和劉利新團(tuán)隊(duì)采用寡聚乙二醇化的聚咪唑模擬天然DNA酶來(lái)催化磷酸二酯鍵的水解，從而緩解與游離核酸相關(guān)的自身免疫疾病如類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、Aicardi-Goutières綜合征的癥狀。
許多天然的核酸水解酶以咪唑基團(tuán)作為功能基團(tuán)來(lái)催化磷酸二酯鍵的斷裂，因此該項(xiàng)研究用側(cè)掛咪唑基團(tuán)的合成聚合物，并用寡聚乙二醇側(cè)基以提高材料的水溶性和生物相容性，延長(zhǎng)體內(nèi)的滯留時(shí)間。由于該人工核酸酶采用的咪唑基團(tuán)是比脂肪胺更弱的有機(jī)堿，對(duì)細(xì)胞和組織具有更好的生物安全性，解決了陽(yáng)離子材料在體內(nèi)使用的安全隱患。模擬酶在體內(nèi)可降解游離核酸，有效抑制了相關(guān)炎癥反應(yīng)（圖1）。
圖1 聚咪唑通過(guò)模擬DNA水解酶的水解來(lái)抑制自身免疫疾病中DNA引起炎癥的示意圖，本報(bào)道在類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和Aicardi-Goutières綜合征動(dòng)物模型上進(jìn)行了驗(yàn)證。
通過(guò)可控聚合反應(yīng)，作者合成了四種不同咪唑和寡聚乙二醇的聚合物：I195、I189O19、I225O74和I238O132。提高寡聚乙二醇的含量雖然能提高材料水溶性，但是也會(huì)降低了咪唑基團(tuán)的密度而降低了催化磷酸二酯鍵斷裂的效率。適量寡聚乙二醇的聚咪唑I189O19可保持一定高的咪唑基團(tuán)密度，具有有效的DNA水解效率，也表現(xiàn)出良好的生物相容性，從而能安全和有效地抑制由核酸引起的細(xì)胞內(nèi)Toll樣受體的激活（圖2A-C）。
圖2 （A、B）不同組成聚合物模擬酶催化DNA的水解能力表征；（C）模擬酶抑制RAW264.7細(xì)胞分泌細(xì)胞因子；（D）模擬酶對(duì)CIA大鼠模型后爪腫脹得分的影響；（E）聚咪唑材料治療后CIA大鼠關(guān)節(jié)游離核酸的含量變化；（F）聚咪唑I189O19抑制Trex1缺陷小鼠中由細(xì)胞質(zhì)DNA誘導(dǎo)的炎癥，不同組的小鼠心臟中干擾素刺激基因的mRNA水平；聚咪唑I189O19抑制RAW264.7細(xì)胞內(nèi)HT-DNA引起的（E）STING降解和IRF3的磷酸化，以及（F）IFN-b的表達(dá)。
該類(lèi)聚咪唑可以抑制類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎CIA大鼠的炎癥反應(yīng)（圖2D）。寡聚乙二醇的引入可以使得聚咪唑的水溶性增加而提高可注射的劑量，靜脈注射高劑量的I189O19可獲得比其他治療組更有效的治療效果，包括更好地抑制關(guān)節(jié)的腫脹、減少軟骨的侵蝕、減少炎癥細(xì)胞在滑膜的浸潤(rùn)等。同時(shí)，寡聚乙二醇能夠提高材料在體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，降低材料在體內(nèi)代謝的速率，從而提高在炎癥關(guān)節(jié)處的滯留時(shí)間，更好地降解關(guān)節(jié)處多余的游離核酸（圖2E），降低關(guān)節(jié)滑膜處IL-6和TNF-α等炎癥因子水平以及MMP-3水平。
作者進(jìn)一步研究聚合物模擬酶在Trex1酶缺失的小鼠的治療效果。天然的Trex1酶缺陷導(dǎo)致機(jī)體細(xì)胞質(zhì)DNA聚集， 使得cGAS介導(dǎo)I型干擾素的激增，從而引發(fā)遺傳性Aicardi-Goutiéres綜合征。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明七天腹腔注射I189O19可以有效地下調(diào)Trex1敲除小鼠心臟中干擾素刺激基因的水平（圖2F），減少炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)。研究還發(fā)現(xiàn)I189O19可有效地降解細(xì)胞質(zhì)DNA，阻斷由細(xì)胞質(zhì)DNA如HT-DNA引起的STING的降解和IRF3的磷酸化，抑制IFN-b的表達(dá)（圖2G,H）。
該工作揭示了聚合物基模擬DNA酶可有效降解體內(nèi)多余的DNA并抑制相關(guān)免疫炎癥反應(yīng)，可通過(guò)降解炎癥關(guān)節(jié)處的游離核酸來(lái)有效地抑制類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的癥狀，可以在DNA酶缺失的小鼠模型中彌補(bǔ)DNA酶來(lái)抑制由多余DNA引起的炎癥反應(yīng)。因此，這種模擬DNA酶不僅可以降低自身免疫疾病中由于游離核酸引起的免疫反應(yīng)，更能替補(bǔ)體內(nèi)缺失的DNA酶抑制如Aicardi-Goutières綜合征中由細(xì)胞內(nèi)DNA引起的炎癥反應(yīng)。綜上所述，該工作為治療自身免疫疾病和自身炎癥疾病提供了一種簡(jiǎn)單、安全、有效的新策略。
相關(guān)研究結(jié)果以“A Tailored Artificial DNase Blocks Sensor Activation and Prevents Autoimmune and Autoinflammatory Diseases”為題，于2023年2月28日發(fā)表在材料領(lǐng)域期刊Advanced Functional Materials。材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生梁慧怡和杜逸博為該論文的共同第一作者，劉利新教授、陳永明教授為論文的共同通訊作者。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一完成單位。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助。
