本文要点：本研究讲述了一种通过原子工程方法开发的Au₂₂团簇，该团簇具有强烈的近红外-二区（NIR-II）荧光，并展示了其强大的酶样活性。相比于Au₂₂团簇，本研究开发的Au₂₁Cu₁团簇在抗氧化、过氧化氢酶样和超氧化物歧化酶样活性方面分别高出18倍、90倍和3倍，且荧光损失可以忽略不计。这些团簇还可以用于监测顺铂诱导的肾损伤，并在NIR-II光片显微镜下实现三维可视化。此外，这些团簇在顺铂处理的小鼠模型中可以抑制氧化应激和炎症，尤其在肾脏和大脑中。

图1. Au₂₂团簇的性质和生物医学应用示意图

如图2所示，Au₂₂(SG)₁₈团簇的配体是谷胱甘肽，由一个近似椭圆形的Au₈核心、两个三聚体和两个四聚体构成，是一种稳定的结构模型。透射电子显微镜（TEM）图像和尺寸分布直方图显示，Au₂₂团簇的核心尺寸约为1.5nm，表明其具有极小的尺寸。动态光散射（DLS）测定表明，在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，Au₂₂的平均动力学尺寸为2.01nm，略大于核心尺寸，这是由于外部配体的伸展造成的。电喷雾电离质谱（ESI-MS）显示了一个明显的质荷比（m/z）峰位于约1968.44，对应于[Au₂₂(SG)₁₈-5H]⁵⁻的计算分子量，这表明已成功获得了精确到原子水平的Au₂₂团簇。Au₂₂团簇的特征吸收峰位于515nm，发射中心位于925nm，通过配体和金核之间的电荷转移，其尾部宽度延伸至1300nm。Au₂₂团簇的量子产率约为0.16%，略低于Au₂₅(GSH)₁₈但高于其他材料。Au₂₂团簇在808nm连续激发下表现出优异的光稳定性，并且在去离子水和PBS中的荧光稳定性也很好，可以保持一个星期。此外，Au₂₂团簇在300至900nm的范围内也表现出很好的稳定性，一个星期内没有明显的信号损失。这些结果表明，Au₂₂团簇具有精确到原子水平的定义、极小的尺寸、优异的水溶性和稳定的结构，非常适合进一步应用。同时，也使用了原子工程方法来改性Au₂₂团簇，引入了不同的金属元素。

图2. 金团簇的结构表征

Au₂₁Cu₁团簇具有单铜原子活性位点，表现出较高的催化活性，催化过程如图3A所示。吸附剂分子和自由基的吸附强度是催化反应的先决条件。利用密度泛函理论（DFT）测试了Au₂₂和Au₂₁Cu₁对不同物种的吸附能（Eads）以研究其对反应性氧和氮物质的吸附能力。同时，还通过2,2'-联苯二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）方法评估了金团簇的抗氧化特性以确定其生物催化酶样活性。实验证明，Au₂₁Cu₁团簇的抗氧化活性比Au₂₂团簇高18倍，显示出出色的抗氧化活性。此外，Au₂₁Cu₁团簇表现出对H₂O₂的高催化降解能力，具有类过氧化氢酶样催化活性。进一步验证显示，Au₂₁Cu₁团簇在ONOO⁻的自由基清除能力方面也表现出较高的效率，相对于纯的Au₂₂和其他金属掺杂团簇，具有更高的清除能力。因此，Au₂₁Cu₁团簇在Au₂₂团簇中引入了铜单原子活性位点，从而提升了多种独特的酶样催化活性。

图3. 金团簇的酶样活性

图4的DFT计算研究了Au₂₁Cu₁团簇的电子特性，发现Cu掺杂在团簇的活性位点上后团簇具有更高的过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性。Cu与Au原子的相似性保证了Cu-S键的结合非常紧密，Cu在催化过程中容易与外部电子交换并形成键。Cu掺杂引入了以前未被识别的能级，表明了其在催化活性中的作用。此外，Au₂₁Cu₁团簇显示出更高的催化活性和抗氧化活性，为其在生物医学领域的应用提供了有力支持。

图4. 金团簇的DFT计算研究

图5表明Au₂₂团簇在近红外-II光谱下能实现肾脏损伤的3D可视化，并能在注射后20到120分钟内区分和监测急性肾损伤（AKI）。这归功于其高灵敏度、高特异性和高荧光强度。因此，Au₂₂团簇显示出用于临床诊断和监测AKI相关疾病的巨大潜力。

图5. NIR-II光谱下的光片显微镜成像以及金团簇的实时监测过程

图6描述了在体外实验中对Au₂₂和Au₂₁Cu₁团簇进行的生物活性测试。结果显示，这两种团簇对人肾小管细胞和小鼠微胶质细胞几乎没有毒性，并且可以有效降低氧化应激水平。实验还模拟了肾损伤对神经系统的影响，并发现金团簇可以减轻神经炎症，通过调节TLR4表达来实现这一效果。这些实验结果表明金团簇在治疗肾损伤和相关疾病方面具有良好的生物活性和潜力。

图6. 使用金团簇体外治疗顺铂诱导的急性肾损伤

为了揭示Au₂₂团簇的生物活性，图7选择了顺铂诱导的急性肾损伤（AKI）作为实验模型。AKI表现为肾功能下降，引发缺血性损伤，伴随严重的氧化应激和炎症，导致高死亡率以及对其他器官如大脑的并发症。实验结果显示，顺铂诱导的AKI在一段时间内导致严重的肾损伤，而在金团簇干预后，肾功能得到显著恢复。肾功能指标如肌酐和尿素氮的水平显示出明显的改善，与此同时，蛋白尿的情况也呈现出类似的趋势。组织病理学染色进一步证实了顺铂引起的严重肾毒性，而金团簇的干预能够明显改善肾组织的病理学表现。氧化应激和炎症水平的指标也显示，金团簇对抗氧化应激和炎症具有显著的保护作用，有助于肾脏的局部保护。这些实验证明，Au₂₂团簇具有对肾脏的保护作用，通过清除氧化应激物质和减少炎症反应，促进了肾功能的恢复。

图7. 金团簇治疗前后肾脏内的氧化应激和炎症水平

图8讲述了肾脏疾病可能导致多器官功能障碍，特别是与大脑之间存在紧密联系。顺铂诱导的急性肾损伤而产生的有害分子可对大脑产生影响，消耗掉大脑内源性的抗氧化物质。Au₂₁Cu₁团簇可以降低大脑中的有害分子含量，恢复抗氧化酶的水平，显示出对活性氧的清除能力。对大脑中神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞的研究表明，在急性肾损伤后，神经元数量减少，星形胶质细胞和小胶质细胞被激活。Au₂₂和Au₂₁Cu₁团簇的干预能够恢复大部分这些神经细胞。同时，团簇的干预也可以缓解由急性肾损伤引起的神经炎症反应。这些结果进一步证实了Au₂₂团簇作为酶模拟剂对氧化应激和炎症相关疾病具有显著的影响。

图8. 金团簇治疗前后大脑中的氧化应激和炎症水平

此外还讨论了急性肾损伤（AKI）对大脑的影响，提出了可能的机制，包括外周炎症、氧化应激、以及与神经系统疾病相关的色氨酸-酮恩酸代谢通路失调。图9中实验证实了顺铂诱导的AKI会导致炎症因子和活性氧增加，引发炎症、氧化应激、血管损伤和细胞凋亡。此外，顺铂也会激活TLR4，进一步促成AKI的发病和发展。研究发现，Au₂₂团簇通过抑制胶质细胞活化、清除活性氧并减轻炎症，保护了脑部。作者还提出了代谢性小分子可能在肾脑相互作用中发挥作用的假设，证明了它们在AKI引起的色氨酸-犬尿氨酸代谢通路中的调节作用。

图9. 金团簇在急性肾损伤中的肾脑相互作用

总的来说，本研究报告了一种原子工程方法，在原子精度的Au₂₂团簇中创建了一个铜单原子活性位点，具有极高的酶模拟活性且不会失去荧光。相比纯的Au₂₂团簇，Au₂₁Cu₁团簇通过引入铜单原子活性位点，其抗氧化活性提高了18倍。此外，Au₂₁Cu₁团簇的CAT样活性和SOD样活性分别比Au₂₂团簇高90倍和3倍。密度泛函理论计算表明，Au₂₁Cu₁团簇由于失去的电子态具有强大的催化活性。实时荧光成像显示金团簇可以实现早期疾病监测行为。生物实验证明，Au₂₂团簇可以抑制受损肾脏和大脑中的氧化应激和炎症水平。最后，超小金团簇可以通过肾脏清除快速排泄，显示出在高剂量下无毒性。总的来说，Au₂₂团簇可以是一个生物安全、高效且多功能的平台，通过原子工程开发具有NIR-II荧光和酶催化活性的多功能试剂。此外，Au₂₂团簇在实时成像和早期干预急性肾损伤等氧化应激和炎症相关疾病方面显示出巨大潜力，并有望进行临床应用。

参考文献

Huizhen Ma, et al. Bioactive NIR-II gold clusters for three-dimensional imaging and acute inflammation inhibition. Science Advances. 2023