許昌，是河南的一個地級市。胖東來的總部就位於該市，最近兩年不少網友慕名前來打卡。事實上，許昌並非只有這一個標籤。
作為一所省屬本科院校，許昌學院儘管在基礎研究和科技創新等方面，暫時無法和國內一流大學比肩。但是，在納米材料研究領域，許昌學院卻走在河南省科研機構的前列。
該校於 2005 年成立的表面微納米材料研究所，是國內成立最早的一批納米材料研究機構。
何偉偉教授，便是該研究所的一名成員。他表示：「研究所剛成立的時候還比較弱，但是在時任所長鄭直教授的帶領下，大家『窮且意堅青雲志』，相信一定能做出一些成績。」
圖 | 何偉偉（來源：何偉偉）
就在前不久，由何偉偉擔任共同通訊作者的論文發在 ACS Nano（IF 17.1）。研究中，他和合作者成功製備一款碳化釩納米片，其具有良好的生物相容性、抗氧化活性和腎臟排泄能力。
通過建立相關的動物模型，課題組證明對於治療肺部纖維化，碳化釩納米片具有出色的治療效果，故能用於預防特發性肺纖維化的發生，也能為研髮針對活性氧介導疾病的藥物提供新策略。
此外，碳化釩納米片的抗氧化能力，也有望用於其他氧化應激類疾病和炎症的治療，比如老年神經退行性疾病、心血管疾病、關節炎等。甚至還具備用於製造化妝品的潛力。
（來源：ACS Nano）
如何讓材料兼具抗氧化活性和生物相容性？
事實上，受三年新冠疫情的困擾，很多新冠患者都留下了嚴重的後遺症尤其是肺部疾病。
在疫情期間，作為科研工作者何偉偉也一直想為抗疫做點貢獻，但受限於實驗條件，讓他感到有些無能為力。
其表示：「後來我和河南大學黃永偉教授討論的時候，談到了新冠病毒導致炎症風暴所引起的肺纖維化，當時我們認為可以利用納米材料抗氧化/抗炎效應來緩解肺纖維疾病，於是就開始了本次研究。」
那麼，什麼是特發性肺纖維化？這是一種致死率較高的慢性肺間質性疾病，目前尚無治癒方法。
研究表明，氧化應激與肺纖維化的發生髮展，有著密切相聯的關係。從氧化應激誘導的發病機制來看，在預防和減輕肺纖維化疾病上，抗氧化治療是一種有效的策略。
但是臨床研究表明，天然抗氧化酶和有機小分子抗氧化的治療效果並不理想，這可能是因為它們在病理條件下的抗氧化效率、以及持久性都比較低。
同時，課題組了解到肺纖維化的發病幾率非常高，患者確診後的平均存活時間僅為 3-5 年，並且發病機制尚不明確。
此外，活性氧與肺纖維化的發生密切相關，活性氧的過度產生會對肺泡上皮細胞造成氧化損傷，從而刺激纖維介質的釋放，導致成纖維細胞增殖和細胞外基質的異常沉積，進而引發肺組織纖維化。因此，抗氧化療法——便成為預防和緩解肺纖維化的有效策略。
納米酶，是一類具有酶樣催化特性的納米材料。近年來，人們發現納米酶在特定條件下，能夠產生或清除生物活性物種，從而起到調節生物機體內氧化還原水平的作用。
而為了治療癌症和氧化應激類疾病，學界已經研發了一些「納米方案」。那麼，能否利用納米酶的抗氧化活性，來治療特發性肺纖維化？
儘管不少納米酶兼具促氧化和抗氧化的功能，但這會在複雜的病理微環境中造成不利結果。而天然酶在惡劣環境下不僅性質不穩定，而且價格昂貴。
近年來，隨著納米材料的發現，人們發現具有類酶活性的納米材料或許具備一定的可行性。
因此，本次研究的關鍵和難點在於：如何合成一種納米酶材料，並讓其具備抗氧化活性和生物相容性？
如何面對材料「逆反」特點？
為了尋找合適的納米材料，該團隊花費了不少周折。之前，何偉偉等人的研究重點主要集中在貴金屬納米酶及其多酶催化活性。
這些材料雖然也具有清除活性氧的能力，但是綜合考慮生物安全性等問題之後，課題組提出了這樣一個問題：能否開發一類新的抗氧化納米材料？
後來，何偉偉的學生在調研文獻時，二維單層金屬碳化物引起了這名學生的關注。
通過分析這種材料的結構，他們了解到二維單層金屬碳化物是一類具有表面親水、富含大量的低價過渡金屬、自身很容易被氧化的碳化物。
於是，他們猜想這應該是一類兼具良好抗氧化活性和生物安全性的納米材料。
隨後，他們使用二維單層金屬碳化物製備了碳化釩納米片，結果發現存放一段時間後，碳化釩溶液顏色很容易發生變化。為此，何偉偉的學生探索了很久，並認為不穩定性是這類材料的一大弊端。
何偉偉說：「之後我們想了各種方法，希望能讓材料性質更加穩定，但無論如何都不起作用。後來我們心想索性不如順應材料的這種特點，沒想到卻發現了類酶活性增強的現象。」
與此同時，他們發現二維單層金屬碳化物具備富電子特性和催化特性。以此為啟發，他們通過採用插層剝離的方法，合成了最終版本的碳化釩納米片，並發現其具備高度分散性、超薄單/少層結構的特點。
得益於碳化釩獨特的結構，他們通過控制碳化釩的自氧化水平，來平衡 V 價態組成和表面狀態，藉此獲得廣譜、高效、能夠持久增強的抗氧化能力，這種抗氧化能力是天然抗氧化劑 AA 和 TA 的幾到幾十倍。
基於此，他們先是在細胞層面做了測試，發現碳化釩納米片能在細胞層面清除活性氧、以及降低相關蛋白的表達。
之後，課題組進一步建立了動物實驗，證明碳化釩納米片的確具有抗炎、抗纖維化和重塑氧化應激水平的三重效應，並能顯著抑制肺部肌成纖維細胞的增殖、以及抑制細胞外基質的異常情況。
也就是說，碳化釩納米片不僅在治療肺部纖維化上展示出不錯的治療效果，也為治療其他氧化應激類疾病治療提供了新材料。
這既為設計高效抗氧化納米材料提供了新思路，也揭示了價態和表面工程策略對於二維碳化釩納米片化學結構和生物物理活性的潛在調控機制，更闡明了碳化釩納米片基於電子轉移、H 原子轉移和類酶催化在內的多種抗氧化機制的協同作用。
最終，相關論文以《具有廣譜抗氧化活性的碳化釩納米片用於肺纖維化治療》（Vanadium Carbide Nanosheets with Broad-Spectrum Antioxidant Activity for Pulmonary Fibrosis Therapy）為題發在 ACS Nano[1]。
許昌學院碩士生劉佺和任亞平是共同一作，何偉偉教授、河南大學黃永偉教授、中國科學院高能物理研究所王黎明研究員擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：ACS Nano）
總的來說，本次何偉偉等人研發了一類具有優異抗氧化活性的納米酶材料，並初步證實了它在治療肺纖維化中的潛在應用。
期間他們獲取了大量實驗數據，但還存在很多問題值得進一步研究。
其一，從材料方面來講，二維單層金屬碳化物納米材料雖然表現出優異的抗氧化活性，但是其結構穩定性比較差，在體內用藥過程中存在很多不確定因素。
因此，如何通過表面改性、組成調節等方法，提高材料穩定性和催化活性，是他們的後續計劃之一。
其二，目前他們對於納米酶抗氧化治療肺纖維化的作用機制理解得還不夠深入，儘管已經獲悉納米酶在抗氧化、抗纖維化以及重塑體內氧化還原水平的重要作用，但是具體的分子機制是什麼？有沒有作用靶點？如何讓納米材料更好地靶向肺組織？這些都是他們下一步的研究重點。
其三，最近何偉偉和合作者發現碳化釩納米酶具有抑制病毒複製傳播，並能顯示出很好的抗病毒活性。所以，他們打算構建動物模型，驗證能否實現針對病毒性肺纖維化疾病的全周期治療。
其四，對於具備良好療效和良好安全性的納米材料，課題組也希望能夠實現臨床轉化，力爭研發能被真正用於臨床的納米藥物。
參考資料：
1.Liu, Q., Ren, Y., Jia, H., Yuan, H., Tong, Y., Kotha, S., ... & He, W. (2023). Vanadium Carbide Nanosheets with Broad-Spectrum Antioxidant Activity for Pulmonary Fibrosis Therapy.ACS nano, 17(22), 22527-22538.
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