“纳米”科学家研发纳米酶筛选策略，将大数据成功用于药物材料筛选，已开始临床前测试

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来源：DeepTech深科技

近日，青岛科技大学朱之灵教授和团队提出一种纳米酶筛选策略。

这是一种通过九层高通量筛选的方法，来开发硫化镍纳米酶的新策略，它结合了疾病治疗的相关需求，在治疗炎症性肠病上取得了理想效果。目前，课题组正在进行更加详尽的临床前测试。

同时，他们也在积极探索将纳米酶用于其他领域的可能，比如用于农业生产和海洋防污等。

通过本次成果，他们还建立了一种纳米药物设计的新方法。朱之灵表示：“我们期待在若干年内，能通过这种新技术开发更多的纳米药物，攻克更多疾病，造福人类健康。”

多疾病特征的纳米酶筛选

纳米酶被用于疾病治疗的先例已有很多，但是纳米酶的设计一般出自于科研人员的“研究直觉”或多种材料的组合。而且，此前并没有课题组针对疾病特定的治疗需求进行专项设计。

以疾病特征鲜明、且危害较大的炎症性肠病为例，当使用纳米酶治疗这种疾病时，纳米酶必须具备低毒性、低成本、高抗炎活性、肠道菌群影响不会过强、负电荷炎症蛋白质靶向性等特性。

此外，既然纳米酶药物可以治疗炎症性肠病，那么只有采用口服的给药方式，才能带来最低的全身毒性、以及最少的材料损失。

一直以来，在治疗炎症疾病时，SOD（Superoxide Dismutase）-CAT（Catalase） 级联纳米酶能起到不错的作用，但其开发难度较大。基于此，朱之灵团队产生了将数据库与描述符进行结合，借此完成多疾病特征的纳米酶筛选。

这一策略的主要思路在于：先将纳米酶疾病治疗的最优方案进行分析，包括分析材料粒径、疾病特征与给药方式等，再通过催化理论研究、以及深度计算模拟，将其转化为能够被数字化的材料特征。然后，根据这些材料特征，在材料数据库中进行筛选。

具体而言，课题组通过机理研究与模拟计算，将口服治疗炎症性肠病的治疗需求，转化为九个材料的特征区间。通过此，筛选出能满足全部九种需求的硫化镍材料。

实验结果证明，当患有炎症性肠病小鼠口服上述材料之后，疾病可以得到很大的缓解。

研究中，课题组依据先前提出的 SOD 能级判据、以及 SOD-CAT 的级联催化机理，提出了针对 SOD-CAT 的级联纳米酶能级判据理论。结果发现，当把上述理论与数据库结合之后，可以筛选出一系列 SOD-CAT 纳米酶。

同时，他们又使用第一性原理的密度泛函理论计算，对材料的 SOD-CAT 反应动力学进行研究，借此得到最符合要求的 SOD-CAT 候选纳米酶。

在厘清 SOD-CAT 能级判据的原理之后，他们将晶体双电子层电位模拟、以及晶体耐酸性模拟的定性/定量方法，根据炎症性肠病的所需特征，拓展到相应的材料描述符区间。在得到材料描述符区间之后，他们又开始寻找一款数据量充足、包含具体材料描述符的数据库。一番衡量利弊之后，他们选择使用 Material Project 来进行材料筛选。

经过筛选描述符和计算模拟之后，他们得到四种最优的候选材料。接着，又对筛选得到的四种材料进行合成，并开展与筛选相符的性能测试，结果发现本次方法不仅准确性比较高，而且硫化镍材料确实具备口服治疗炎症性肠病的能力。

对于以大数据为出发点的 SOD-CAT 材料筛选，该团队通过本次论文的发表也有了进一步的理解。此前，他们已经从催化机理入手，获取了 SOD-CAT 级联纳米酶的活性描述符。

进一步，他们希望能够获取纳米酶 SOD-CAT 纳米酶活性与材料特征关系之间的公式化构-效关系，这就需要将大数据和机器学习方法更紧密地结合，运用符号回归或其他机器学习算法。

基于此，他们打算选用材料特征较为明确、并且易于拆分的尖晶石作为材料体系，将 SOD-CAT 的反应决速步能量，作为材料的抗炎性能描述符。

另据悉，朱之灵本科和硕士分别毕业于中南大学和中国科学院大连化学物理研究所，后在美国休斯顿大学获得博士学位并完成博士后研究。

2018 年 1 月，他正式加入青岛科技大学，目前主要研究纳米生物医学。他表示：“青岛市在生物医药领域具有巨大的发展优势，并已形成良好的产业生态系统。青岛科技大学则被誉为‘中国橡胶工业的黄埔’，在材料、化工等领域形成了优势特色学科群，这与我的研究方向非常匹配。”正是这些原因让他选择回国发展，并取得了包含本次论文在内的一系列成果。

1.Yu, Y., Zhao, X., Xu, X., Cai, C., Tang, X., Zhang, Q., ... & Zhu, Z. (2023). Rational Design of Orally Administered Cascade Nanozyme for Inflammatory Bowel Disease Therapy. Advanced Materials, 2304967.

运营/排版：何晨龙

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