DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65074-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41253826
تاريخ النشر: 2025-11-18
المؤلف: Hao Jin وآخرون
الموضوع الرئيسي: آليات الأكسدة المحفزة بالمعادن
نظرة عامة
تناقش هذه section دور سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) في مكافحة الإجهاد التأكسدي والقيود المفروضة على SOD الطبيعي بسبب تنسيق أيونات المعادن الصلبة مع بقايا الأحماض الأمينية. يحقق المؤلفون في تغييرات الطاقة الحرة لجيبس المرتبطة بتنسيق أيونات Cu²⁺ مع مجموعات مختلفة في الهيستيدين، كاشفين أن هيكل رباعي التنسيق يتضمن مجموعة أمينية واحدة، ومجموعة كربوكسيل واحدة، ومجموعتين إيميدازوليتين يظهر أقل طاقة إجمالية وطاقة كسر الروابط. يعزز هذا التنسيق المحسن استقرار الموقع الحفاز بينما يحسن النشاط الحفاز.
تقدم الدراسة التجميعات السوبرمolecular Cu/Zn/histidine (CuZnHis) التي تظهر نشاط SOD ملحوظ يبلغ 37,900 وحدة/ملغ – أكثر من 5.4 مرات أكبر من نشاط Cu-Zn-SOD الطبيعي. بالإضافة إلى ذلك، تسهل هذه التجميعات استقطاب البلعميات من نمط M1 إلى M2، وتعزز التعبير عن عوامل مضادة للالتهابات، وتثبط بشكل فعال التهاب اللثة في نماذج حيوانية ذكورية. تؤكد النتائج على أهمية الحفاظ على توازن الأكسدة والاختزال لمنع الأمراض المرتبطة بالإجهاد التأكسدي، مما يبرز إمكانيات تجميعات CuZnHis في التطبيقات العلاجية.
طرق
تفصل section الطرق المواد والمعدات المستخدمة في الدراسة. تضمنت المواد التجريبية الرئيسية L-هيستيدين، هيدروكسيد الصوديوم، نترات النحاس ثلاثي الهيدرات، ومجموعة متنوعة من الاختبارات الكيميائية الحيوية والمواد الكيميائية المستمدة من عدة موردين. تم استخدام خطوط خلوية مثل خلايا الفيبروبلاست الفأرية L929 وخلايا RAW264.7، إلى جانب خلايا جذعية من الرباط اللثوي للفئران (RPDLSC) للتجارب في المختبر. تحدد section أيضًا استخدام مجموعة متنوعة من الأدوات المخبرية للتوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، ومطيافية الكتلة (MALDI-TOF)، من بين أمور أخرى.
بالإضافة إلى ذلك، تشمل الطرق تقنيات قياس حجم الجسيمات، وإمكانات زيتا، والخصائص الحرارية، بالإضافة إلى التحليل الجزيئي من خلال qRT-PCR وقياس التدفق الخلوي. تضمنت الدراسة أيضًا تجارب in vivo مع فئران ويستار، باستخدام تخدير بالاستنشاق للإجراءات. بشكل عام، تشير مجموعة المواد والأساليب الشاملة إلى تصميم تجريبي قوي يهدف إلى التحقيق في الخصائص الكيميائية الحيوية والفيزيائية ذات الصلة بأهداف البحث.
نتائج
في هذه section، تحقق الدراسة في تحسين الموقع الحفاز للنحاس من خلال هياكل تنسيق مختلفة تتضمن Cu²⁺ والهيستيدين. تم تعريف أربعة أوضاع تنسيق مميزة: الهيكل A (أربعة إيميدازوليت)، الهيكل B (مجموعة أمينية واحدة وثلاث إيميدازوليت)، الهيكل C (مجموعة كربوكسيل واحدة وثلاث إيميدازوليت)، والهيكل D (مجموعة أمينية واحدة، مجموعة كربوكسيل واحدة، واثنين من الإيميدازوليت). تكشف تقييمات الاستقرار الديناميكي الحراري أن الهيكل D يظهر أعلى استقرار، يليه الهياكل C وA وB. تشير النتائج إلى أن التنسيق الأميني يقلل من الاستقرار بسبب أطوال الروابط الأطول، بينما يعزز التنسيق الكربوكسيلي الاستقرار عن طريق تقليل الحواجز الاستيريو. من الجدير بالذكر أن التنسيق الفريد للهيكل D يسمح بتحسين النشاط الحفاز من خلال تسهيل كسر الروابط التنسيقية، وهو أمر حاسم للتفاعلات الأكسدة والاختزال المميزة لنشاط سوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) المعتمد على النحاس.
تتفصل الأبحاث أيضًا عن تحضير تجميعات CuZnHis(L) السوبرمolecular عبر عملية تجميع ذاتي مدفوعة بالإنتروبيا، والتي تتأثر بتكوين المذيب، وخاصة إضافة الأسيتون. تؤكد تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، على التكوين الناجح لهذه التجميعات، التي تظهر نشاط SOD معزز بشكل كبير مقارنة بـ SOD الطبيعي. تظهر تجميعات CuZnHis(L) قيمة IC₅₀ تبلغ 0.132 ميكروغرام/مل و نشاط محدد يبلغ 37,900 وحدة/ملغ، متفوقة على SOD الطبيعي بما لا يقل عن 5.4 مرات. تحافظ التجميعات على توافق حيوي جيد وتظهر تأثيرات مضادة للالتهابات في المختبر، كما يتضح من تعديل السيتوكينات الالتهابية في البلعميات. بالإضافة إلى ذلك، تظهر التجميعات وعدًا في علاج الأمراض المرتبطة بالإجهاد التأكسدي، مثل التهاب اللثة، من خلال تقليل الالتهاب بشكل كبير وتعزيز شفاء الأنسجة في نماذج حيوانية.
مناقشة
في هذه section، يتم مناقشة تحضير وتوصيف تجميعات CuZnHis، إلى جانب نمذجة الحاسوب، ونشاط SOD، وتقييمات السمية، وتأثيراتها على الاستجابات الالتهابية في المختبر وفي الجسم الحي. تم إجراء حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) باستخدام الوظيفة PBE0 مع تصحيح انتشار D3BJ، باستخدام مجموعة أساس def2-TZVP. بينما يحتوي النموذج على قيود، مثل عدم كفاية نموذج إذابة SMD في محاكاة تفاعلات المذاب-المذيب المحددة، فإنه يوفر إطارًا موثوقًا لتحسين المواقع الحفازة. تم تحضير تجميعات CuZnHis من L- و D-هيستيدين، مع تنقية لاحقة من خلال الطرد المركزي وإعادة الذوبان لإزالة المواد الكيميائية غير المتفاعلة.
تم قياس نشاط SOD لتجميعات CuZnHis باستخدام طريقة WST-8، مما يكشف عن قدرتها على القضاء على الأنيونات الفائقة ($O_2^{•-}$). أظهرت اختبارات السمية على خلايا L929 و RPDLSC درجات متفاوتة من بقاء الخلايا عند تركيزات مختلفة من CuZnHis. بالإضافة إلى ذلك، تم اختبار التجميعات لتأثيراتها المضادة للالتهابات في خلايا RAW264.7، مع استخدام qRT-PCR والتلوين المناعي لتقييم التعبير عن علامات الالتهاب مثل IL-1β و TNF-α. تضمنت الدراسات في الجسم الحي إنشاء نموذج التهاب اللثة في الفئران، حيث تم إعطاء تجميعات CuZnHis لتقييم إمكاناتها العلاجية. أظهرت النتائج تأثيرات كبيرة على تسلل الخلايا الالتهابية وتعبير عوامل الالتهاب في الأنسجة اللثوية، مما يشير إلى أن تجميعات CuZnHis قد تعمل كعوامل فعالة في إدارة مرض التهاب اللثة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65074-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41253826
Publication Date: 2025-11-18
Author(s): Hao Jin et al.
Primary Topic: Metal-Catalyzed Oxygenation Mechanisms
Overview
This section discusses the role of superoxide dismutase (SOD) in combating oxidative stress and the limitations of natural SOD due to rigid metal ion coordination with amino acid residues. The authors investigate the Gibbs free energy changes associated with the coordination of Cu²⁺ ions with various groups in histidine, revealing that a tetracoordinated structure involving one amino group, one carboxyl group, and two imidazolyl groups exhibits the lowest overall energy and bond-breaking energy. This optimized coordination enhances the stability of the catalytic site while improving catalytic activity.
The study presents the synthesized Cu/Zn/histidine (CuZnHis) supramolecular assemblies, which demonstrate a remarkable SOD activity of 37,900 Unit/mg—over 5.4 times greater than that of natural Cu-Zn-SOD. Additionally, these assemblies facilitate the polarization of macrophages from the M1 to M2 phenotype, promote the expression of anti-inflammatory factors, and effectively inhibit periodontitis in male animal models. The findings underscore the significance of maintaining redox homeostasis to prevent oxidative stress-related diseases, highlighting the potential of CuZnHis assemblies in therapeutic applications.
Methods
The methods section details the materials and equipment utilized in the study. Key experimental materials included L-histidine, sodium hydroxide, copper nitrate trihydrate, and various biochemical assays and reagents sourced from multiple suppliers. Cell lines such as L929 mouse fibroblast cells and RAW264.7 cells were employed, alongside rat periodontal ligament stem cells (RPDLSC) for in vitro experiments. The section also specifies the use of various laboratory instruments for characterization, including transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and mass spectrometry (MALDI-TOF), among others.
Additionally, the methods encompass techniques for measuring particle size, zeta potential, and thermal properties, as well as molecular analysis through qRT-PCR and flow cytometry. The study also involved in vivo experiments with Wistar rats, employing inhalation anesthesia for procedures. Overall, the comprehensive array of materials and methodologies indicates a robust experimental design aimed at investigating the biochemical and physical properties relevant to the research objectives.
Results
In this section, the study investigates the optimization of the Cu catalytic site through various coordination structures involving Cu²⁺ and histidine. Four distinct coordination modes are defined: Structure A (four imidazolyls), Structure B (one amino and three imidazolyls), Structure C (one carboxyl and three imidazolyls), and Structure D (one amino, one carboxyl, and two imidazolyls). Thermodynamic stability assessments reveal that Structure D exhibits the highest stability, followed by Structures C, A, and B. The findings indicate that amino coordination decreases stability due to longer bond lengths, while carboxyl coordination enhances stability by reducing steric hindrance. Notably, Structure D’s unique coordination allows for improved catalytic activity by facilitating the breaking of coordination bonds, which is crucial for the redox reactions characteristic of Cu-based superoxide dismutase (SOD) activity.
The research further details the preparation of CuZnHis(L) supramolecular assemblies via an entropy-driven self-assembly process, which is influenced by solvent composition, particularly the addition of acetone. Characterization techniques, including transmission electron microscopy (TEM) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, confirm the successful formation of these assemblies, which demonstrate a significantly enhanced SOD activity compared to natural SOD. The CuZnHis(L) assemblies exhibit an IC₅₀ value of 0.132 μg/mL and a specific activity of 37,900 Unit/mg, outperforming natural SOD by at least 5.4 times. The assemblies maintain good biocompatibility and exhibit anti-inflammatory effects in vitro, as evidenced by the modulation of inflammatory cytokines in macrophages. Additionally, the assemblies show promise in treating oxidative stress-related diseases, such as periodontitis, by significantly reducing inflammation and promoting tissue healing in animal models.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of CuZnHis assemblies are discussed, alongside their computational modeling, SOD activity, toxicity assessments, and effects on inflammatory responses in vitro and in vivo. Density Functional Theory (DFT) calculations were performed using the PBE0 functional with D3BJ dispersion correction, employing the def2-TZVP basis set. While the model has limitations, such as the SMD solvation model’s inadequacy in simulating specific solute-solvent interactions, it provides a reliable framework for optimizing catalytic sites. CuZnHis assemblies were synthesized from L- and D-histidine, with subsequent purification through centrifugation and redissolution to remove unreacted reagents.
The SOD activity of the CuZnHis assemblies was quantified using the WST-8 method, revealing their ability to scavenge superoxide anions ($O_2^{•-}$). Toxicity assays on L929 and RPDLSC cells indicated varying degrees of cell viability at different concentrations of CuZnHis. Additionally, the assemblies were tested for their anti-inflammatory effects in RAW264.7 cells, with qRT-PCR and immunofluorescent staining employed to assess the expression of inflammatory markers such as IL-1β and TNF-α. In vivo studies involved establishing a periodontitis model in rats, where CuZnHis assemblies were administered to evaluate their therapeutic potential. The results demonstrated significant effects on inflammatory cell infiltration and expression of inflammatory factors in periodontal tissues, suggesting that CuZnHis assemblies may serve as effective agents in managing periodontal disease.