人体内存在一套有效的抗氧化防御系统以保证机体的生理稳态，骨髓造血相关疾病与细胞活性氧（ROS）失调密切相关，对ROS进行调控是发展更为有效的治疗方法的新途径。
具有多重ROS清除功能的普鲁士蓝纳米酶有效诱导红系终末分化
贫血是指人体外周血红细胞减少，低于正常范围下限的一种常见的临床症状。一般的慢性贫血可通过调整饮食补充营养物质改善，但仍有部分贫血症状不能通过营养物质改善，例如肾病相关及骨髓异常所致的贫血。这类贫血通常由骨髓造血干细胞的红系分化受阻所致。红细胞的形成涉及多种严格调控的步骤（图1），主要分为两个阶段：第一阶段称为谱系选择，在这一阶段造血干细胞在红系分化相关细胞因子的作用下分化形成红系祖细胞，注射人红细胞生成素（EPO）可缓解这一阶段受阻引发的贫血；第二阶段称为终末分化，在这一阶段红系祖细胞形成成熟红细胞，这一阶段不受EPO调控，因此这一阶段受阻引发的贫血无法获益于EPO治疗，大多发展为难治性贫血，严重时需要通过输血来改善症状，目前尚无针对这一阶段的诱导剂，因此急需为这些患者提供新的药物治疗选择。
图1. 红系分化过程（改编自参考文献1）
在终末分化的过程中，细胞需要大量合成血红蛋白，因此铁的补充对终末分化发挥至关重要的作用。此外，在正常终末分化的过程中，细胞内活性氧物种（ROS）需要逐渐降低，所以ROS异常升高的细胞无法实现终末分化，因此ROS的清除也是完成终末分化的重要因素。普鲁士蓝（Fe4[Fe(CN)6]3，Prussian Blue，PB）含铁比例高且具有良好的生物安全性，东南大学张宇教授课题组在2016年报道了所合成的普鲁士兰纳米酶（PBNPs）具有类超氧化物歧化酶、类过氧化物酶、过氧化氢酶的性质，可以有效地清除细胞内的ROS。基于PBNPs的以上两种特性，中国医学科学院基础医学研究所许海燕教授课题组和张宇教授课题组合作，研究了PBNPs对细胞分化的作用。研究表明，PBNPs可被红系分化模式细胞K562摄取，并定位在细胞质内。PBNPs在细胞内发挥抗氧化酶活性，有效降低了细胞内ROS；并且PBNPs中的铁元素可以以铁蛋白的形式被细胞储存，从而提供了终末分化所需的铁。因此，PBNPs对ROS的清除和铁的补充共同促进了K562细胞的终末分化进程：经PBNPs处理后，K562细胞的晚期分化标记物GYPA（ CD235a）上调，早期分化标记物TFRC（CD71）降低，同时细胞尺寸变小（图2）。这一研究工作有望为因终末分化受阻所致贫血无药可用的困境提供新的解决思路，为难治性贫血患者提供新的药物选择。以上工作发表在Nanoscale。中国医学科学院基础医学研究所许海燕教授和东南大学张宇教授为该论文的共同通讯作者，博士后王涛和博士生董海娇为共同第一作者。
图2. 普鲁士蓝纳米颗粒诱导红系终末分化
超小铂纳米颗粒诱导髓系白血病细胞向巨核系分化
铂纳米颗粒具有类氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等多种类酶活性，并具有环境依赖性。慢性髓系白血病（CML）是一种因融合蛋白BCR-ABL存在而导致的造血细胞分化迟缓、增殖失控的血液肿瘤。尽管酪氨酸激酶抑制剂（如伊马替尼）的出现使CML的治疗发生了革命性的变化，但由于耐药的发生，仍有近30%的CML患者不能从中获益。许海燕教授课题组与北京协和医院血液科韩冰教授合作，设计合成了一种超小铂颗粒（粒径约3 nm）沉积在金纳米棒表面上的核壳结构（Au@Pt）（图3），这种结构有利于提高铂纳米颗粒的类酶催化活性。研究发现Au@Pt可被K562细胞摄取进入溶酶体，通过发挥类过氧化物酶的活性引起ROS的升高；从溶酶体逃逸后，通过在中性细胞浆环境中发挥类过氧化氢酶的活性使细胞活性氧水平降低，由此引起了时空依赖的ROS水平波动。ROS的波动触发细胞自噬，使自噬蛋白Beclin-1水平升高，导致延迟分化的关键融合蛋白BCR-ABL降解，进而引发PI3K和AKT磷酸化水平下调。这些作用形成正反馈，驱动CML细胞向成熟巨核细胞分化 （图4）。上述效应在CML患者来源的骨髓单个核细胞上也得到了验证，证明Au@Pt具有临床应用潜力。
图3. Au@Pt的表征 （a）透射电镜图，（b）元素mapping图，（c）紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）消光光谱，（d）动态光散射法（DLS）测得的平均水合粒径和表面电位
图4. Au@Pt通过发挥多种类酶活性调控细胞内ROS波动诱导CML细胞向巨核细胞分化机制
以上工作发表在Biomaterials Science（inside back cover），并被评为Hot article。中国医学科学院基础医学研究所许海燕教授为该论文的通讯作者，温涛助理研究员及博士生杨爱云为论文共同第一作者。
以上两项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国医学科学院与健康科技创新工程项目的资助，特此致谢。
参 考 文 献
[1] Dzierzak, E.; Philipsen, S., Erythropoiesis: Development and Differentiation. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2013, 3 (4), 16.[2] Wang, T.; Dong, H.; Zhang, M.; Wen, T.; Meng, J.; Liu, J.; Li, Z.; Zhang, Y.; Xu, H., Prussian blue nanoparticles induce myeloid leukemia cells to differentiate into red blood cells through nanozyme activities. Nanoscale 2020, 12 (45), 23084-23091.[3] Wen, T.; Yang, A.; Wang, T.; Jia, M.; Lai, X.; Meng, J.; Liu, J.; Han, B.; Xu, H., Ultra-small platinum nanoparticles on gold nanorods induced intracellular ROS fluctuation to drive megakaryocytic differentiation of leukemia cells. Biomaterials Science 2020, 8 (22), 6204-6211.
