一入科研深似海，發際線也可能分分鐘穩不住。頭發的重要性不言而喻，那么能否作為生物醫學的應用的材料呢？下面為大家介紹來自武漢大學張先正教授課題組如何將頭發取之于人，用之于人！
第一作者：洪勝
通訊作者：張先正
通訊單位：武漢大學
研究亮點：
1. 基于人發中天然黑色素顆粒與金屬離子結合模擬天然酶；
2. 構建了高效、穩定、低成本的酶替代品；
3. 不同M-NMPs具有不同類酶活性，應用到不同的生物醫學方向。
研究背景：
在所有生命活動中都起著至關重要作用的天然酶，由于其卓越的性能已被廣泛應用于各個領域。然而，天然酶的高成本和低穩定性嚴重地限制了其實際應用。為了克服這些缺點，在過去的幾十年中，各種生物激發的納米材料被提出作為高性能天然酶的替代品，它們具有類似酶的活性，如：MnO2、CeO2和Fe3O4等納米粒子。盡管這些酶的替代品在生物醫學中顯示出巨大的潛在應用，但是低效率和不令人滿意的選擇性仍然限制了它們的實際應用。
通常，天然酶主要由蛋白質部分和金屬輔因子部分組成。蛋白質部分，即包含官能團（例如氨基，羧基，羥基和吲哚基）的肽鏈，可以吸附底物并提供活性位點，以方便底物結合。金屬輔因子部分通常是金屬離子或金屬絡合物，在電子傳輸中起重要作用。兩者對于共同實現酶的催化活性都是必不可少的。如POD的卟啉鐵，SOD的Cu和Mn。
眾所周知，人發中的黑色素以黑色素顆粒的形式存在，據報道含有大量的氨基、羧基和吲哚基等官能團。在之前的研究中，使用堿性降解法從人頭發中提取了天然黑色素顆粒（NMPs），同時也證實了這些官能團的存在。
成果簡介：
有鑒于此，武漢大學張先正教授課題組通過從人的頭發中提取NMPs與金屬離子結合在一起以模擬天然酶。一方面，NMPs中豐富的功能基團作為天然酶中的蛋白質部分，可以吸附底物，為底物結合提供活性位點。另一方面，NMPs中的金屬離子也可以作為酶的金屬輔因子。希望從人發中提取的金屬結合NMPs（M-NMPs）能作為一種高效、穩定、低成本的酶替代品，為今后的生物醫學應用提供新的視角和有用的工具。
圖1. 示意圖
要點1：M-NMPs的制備與表征
研究人員通過TEM,SEM,AFM測得M-NMPs的長寬為1.2 μm X 0.3 μm，然后分別用TMB試劑檢測到Fe-NMPs和Cu-NMPs具有類過氧化物酶（POD）的酶活性；使用NBT試劑，證明了Cu-NMPs具有極大的類超氧化物歧化酶(SOD)的活性，并且可以用作有效的超氧化物自由基去除劑；再使用對苯二甲酸(TA)檢測類過氧化氫酶（CAT）的活性，實驗表明Cu-NMPs和Mn-NMPs表現出突出的類CAT活性，可用于消除H2O2。
圖2. 材料制備與表征
要點2：Fe-NMPs的體內外抗菌性能
研究人員利用Fe-NMPs的類POD功能，即催化H202成羥基自由基（?OH）,并用金黃色葡萄球菌和創傷感染小鼠作為模型，實驗表明Fe-NMPs在體外和體內實驗中均表現出明顯的抗菌性能，顯示了其在抗菌和傷口愈合方面的潛在應用價值。
圖3. Fe-NMPs的體內外抗菌性能
要點3. Mn-NMPs在體內和體外的放射增敏作用
研究人員考慮到Mn-NMPs具有類過氧化氫酶的功能，即催化H202成02，期望其能作為抗腫瘤放射治療的放療增敏劑。實驗表明Mn-NMPs能有效緩解缺氧，且Mn-NMPs處理的細胞可以有效增強缺氧條件下的RT療效。另外，在體內實驗中，證明了Mn-NMPs可以通過分解腫瘤內的內源性H2O2提供氧氣，這都表明Mn-NMPs可以作為放射增敏劑用于癌癥治療。
圖4. Mn-NMPs在體內和體外的放射增敏作用
要點4. Cu-NMPs的體內和體外抗炎作用
在人體中，有害的超氧自由基通過SOD轉化為H2O2。然后，H2O2被CAT和POD進一步分解為完全無害的水。這樣，這三種酶形成了完整的抗氧化鏈，以保護細胞免受氧化損傷。
前面已經驗證了Cu-NMPs能夠同時顯示出抗氧化鏈的三種類酶活性，故期望Cu-NMPs能修復氧化應激。通過檢測ROS和相關炎癥因子的水平的降低，體外體內實驗結果都表明，Cu-NMPs可以有效地減少炎癥反應，因此可能具有應用于氧化相關疾病的潛力。
5. Cu-NMPs的體內和體外抗炎作用
小結：
綜上實驗表明，基于人發的M-NMPs能夠模擬天然酶并具有一定的催化活性。但作者承認該研究具有一定的局限性，比如：（1）不同種族的毛發具有不同的結構和構造，故可能具有不同的活性。在本研究中，只采用黃色人種的頭發。（2）此外，還需要進一步探索其精細結構和催化機理，以更好地理解其催化機理。（3）模擬酶的選擇性很重要，對該類酶體系的選擇性催化能力有待提高。
綜上所述，通過將不同的金屬離子結合到從人發中提取的NMPs中，制備了一種新的天然酶替代物。不同的M-NMPs表現出不同的類酶活性。Fe-NMPs和Mn-NMPs分別表現出明顯的類POD活性和類CAT活性。此外，Cu NMPs可以作為模擬氧化鏈的復合POD、SOD和CAT替代物來消除ROS。酶活性M-NMPs在生物醫學領域具有潛在的應用前景，本研究為開發多功能酶替代品以滿足生物醫學應用的各種需求提供了新的視角。
參考文獻：
Hong, S., Zhang, Q.-L., Zheng, D.-W., Zhang, C., Zhang, Y., Ye, J.-J., Cheng, H., Zhang, X.-Z., Enzyme mimicking based on the natural melanin particles from human hair, ISCIENCE
(2020).
doi: https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.100778.
課題組介紹
張先正，武漢大學化學與分子科學學院副院長，生物醫用高分子材料教育部重點實驗室主任。長江學者特聘教授、國家杰青基金獲得者、科技部中青年領軍人才。
長期從事生物醫用高分子/多肽的研究，包括腫瘤診斷與治療、藥物傳遞、基因治療等。已在Prog Polym Sci、Nat. Commun.、Adv Mater、JACS、Angew Chem Int Ed、Nano Lett、ACS Nano、Adv Func Mater、Biomaterials、Small等期刊發表SCI論文450多篇，論文SCI他引14000多次，H因子63。2015-2018年連續入選中國高被引學者榜單（材料科學）。參與撰寫學術專著4部（共4章）。申報國內外專利20余項，部分專利已轉讓。
目前擔任中國生物材料學會理事會常務理事，中國生物材料學會醫用高分子材料分會副主任委員、中國材料研究學會高分子材料與工程分會常務理事，中國化學會高分子學科委員會委員等。Materials Today Chemistry 主編、Materials Today、Molecular Pharmaceutics等國內外期刊編委等。
