《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Deciphering the interaction of the SARS-COV-2 spike RBD domain with carbon dot nanozyme: Optical features, protein affinities, molecular forces, catalase-like activity, and
in-silico investigations
编辑推荐：
铁负载碳量子点（FeCQDs）通过结合新冠病毒S蛋白的RBD域，抑制病毒与ACE2受体结合，同时展现类催化酶抗氧化活性，为COVID-19治疗诊断一体化提供新方案。
伊丽莎白·克里斯蒂娜·马丁斯（Elizabeth Cristina Martins）|凯利顿·戈麦斯·克鲁兹（Keliton Gomes Cruz）|埃利亚斯·加布里埃尔·席尔瓦（Elias Gabriel Silva）|贾尔马·阿尔维斯·德奥利维拉（Djalma Alves de Oliveira）|阿里埃利·克里斯蒂娜·索亚雷斯·奥利维拉（Arielly Cristina Soares Oliveira）|豪尔赫·路易斯·内维斯（Jorge Luiz Neves）
巴西伯南布哥联邦大学（Universidade Federal de Pernambuco）化学系，CCEN，累西腓50670-901
摘要
SARS-CoV-2对人类细胞的入侵效率极高，这主要归因于病毒刺突蛋白（通过其受体结合域——RBD）与宿主细胞受体ACE2的关键识别事件。因此，在识别阶段之后会触发一系列生化反应，从而导致SARS-CoV-2高效感染细胞。为了解决这一问题，开发能够与RBD结合并阻止其接触ACE2的光活性分子系统可能是诊断和治疗COVID-19的重要途径。在这方面，碳量子点（CQDs）因其独特的性质（包括低毒性、对病毒糖蛋白的亲和力以及内在荧光）而成为有前景的诊疗试剂。此外，在CQDs中加入过渡金属（即使浓度非常低）可以增强这些纳米粒子的催化活性，同时几乎不对宿主细胞产生毒性。本文制备了包裹铁的碳量子点（FeCQDs），并利用光谱方法研究了它们与RBD蛋白的相互作用。结果表明，FeCQDs通过范德华力、静电作用力和氢键与RBD强烈结合，这种结合亲和力与ACE2对病毒蛋白的亲和力相似，表明这些纳米粒子可以竞争ACE2受体与RBD的结合，从而阻止RBD-ACE2受体复合物的形成。此外，FeCQD对病毒蛋白的亲和力优于已报道的小分子ACE2-Spike抑制剂。此外，还使用计算方法（in-silico ）评估了分子相互作用机制。FeCQD还表现出关键的抗氧化特性，其催化活性参数与天然酶相当。据我们所知，FeCQD是唯一兼具诊疗和催化特性的ACE2-病毒蛋白抑制剂。这些结果突显了FeCQDs作为COVID-19感染潜在治疗剂的潜力，并利用纳米粒子的光学特性（对病毒蛋白敏感）实现疾病检测。
引言
冠状病毒（CoV）是一大类包膜RNA病毒，属于Coronaviridae科和Coronavirinae亚科，其中三种冠状病毒引起了公众的广泛关注。公众的担忧源于这些病毒的高致死率和快速变异能力，导致了三次重大的全球性疫情。第一次是严重急性呼吸综合征（SARS）的爆发，发生在2002年的中国，导致致病病毒（称为SARS-CoV）迅速传播，致死率为10%，波及亚洲、欧洲和美洲大陆。随后在2012年，沙特阿拉伯爆发了中东呼吸综合征（MERS），相关病毒（MERS-CoV）的致死率为30%[1]。2019年，在中国（湖北省武汉）发现了第三种人类冠状病毒SARS-CoV-2，由于其高度传播性，它引发了全球性的COVID-19大流行，导致全球约有600万人死亡[2]。SARS-CoV-2包含多种令人担忧的变种，这些变种可能使现有疫苗失效，并对感染个体的基因组监测以及能够防止疾病进展为更严重形式的分子系统产生了巨大需求。
从分子角度来看，SARS-CoV-2表面的刺突蛋白（S）是病毒进入宿主细胞的关键。S蛋白是一种三聚体糖蛋白，大小约为180 kDa，由两个亚单位（S1和S2）组成，负责介导与宿主细胞膜的结合和融合[3]。作为受体结合域（RBD）设计的免疫原性片段位于S1亚单位内，对初始感染过程至关重要，它会在宿主细胞受体中触发特定的分子识别。更具体地说，RBD被血管紧张素转换酶II（ACE2）[4]识别，这是一种人类受体，与S蛋白结合后可使病毒进入细胞。S蛋白及其RBD结构在现有的人类冠状病毒中高度保守，使其成为SARS-CoV-2抗原性的主要治疗靶点。此外，它们也是血清学检测中的关键成分，因为它们的表位具有结构保守性[5],[6],[7]。尽管SARS-CoV-2的RBD与SARS-CoV和MERS-CoV的RBD相似，但其与人类ACE2的结合更为牢固。这一因素可能与SARS-CoV-2 S蛋白的结构改变有关，反映了其比先前的人类冠状病毒更高的传播效率和感染性[8],[9],[10]。RBD与ACE2的相互作用对于分子动力学（MD）研究和指导疫苗中的中和抗体至关重要，以预防SARS-CoV-2感染。在这种情况下，开发简单且低成本的治疗系统对于高传染性疾病（如COVID-19）也很重要，同时还需要快速诊断感染者。这些系统应适用于诊断和治疗，并具有干扰ACE2–RBD结合的能力[11],[12],[13]。
诊疗纳米医学因其能够同时整合治疗和诊断功能而在生物技术应用中经常被需要[14],[15]。诊疗学涉及合成和调整纳米材料，用于需要快速检测和疾病管理的病理情况。在这方面，基于碳的纳米材料已被应用于商业产品中，以提高检测限，而无需复杂的增强技术[16],[17]。碳量子点（CQDs）是一类受到广泛关注的纳米材料，它们具有发光、高亲水性、低毒性、高灵敏度、选择性和生物相容性等关键特性。CQDs在纳米医学应用和纳米生物传感器或纳米疫苗的开发中具有治疗潜力，因为它们在动物体内无可见毒性，并且由于其光学特性可以追踪[18]。另一种有趣的生物学活性是CQDs能够干扰病毒进入宿主细胞。研究表明，用硼衍生物对CQDs进行表面功能化可以防止HIV-1、单纯疱疹病毒1型和埃博拉病毒[18],[19],[20]进入细胞，这种机制与I型干扰素反应的抑制有关。
CQDs的另一个重要药理学方面是可以通过掺杂过渡金属来增加其表面积，从而促进与不同分子靶标的相互作用[21]。在这方面，铁是一种在抗病毒活性中非常重要的过渡金属（对生命系统至关重要），也是生物环境中最活跃的过渡元素之一。铁参与体内的氧气运输和储存过程，以及DNA合成和能量代谢。在抗病毒治疗中，铁掺杂的纳米粒子已被探索为流感病毒的强效抑制剂[22]，并且由于它们与SARS-CoV-2的S锚定蛋白的强疏水相互作用和氢键[23],[24]，也被认为可能是对抗COVID-19的有效措施。一些报告表明，过氧化氢酶能够调节白细胞中的细胞因子产生，保护肺泡细胞免受氧化损伤，并在恒河猴模型中抑制SARS-CoV-2的复制，且没有明显的毒性[25]。在这种情况下，向纳米粒子中添加铁还可以使其表现出类似过氧化氢酶的活性[26]。
结合铁的相关特性和CQDs与SARS-CoV-2刺突蛋白RBD域的结合能力，可能是开发针对严重COVID-19的诊疗剂的关键步骤。本研究制备了包裹铁的碳量子点（FeCQDs），并正在研究其物理化学和光学性质。此外，利用光谱方法研究了FeCQD与RBD域之间的分子相互作用，确认了FeCQD-RBD复合物的形成、蛋白质亲和力和热力学参数，以及涉及的主要分子力。最后，还通过分子对接方法阐明了相互作用机制。此外，还研究了FeCQD的类似过氧化氢酶的活性，其动力学参数与天然酶相当。
化学试剂
Sigma-Aldrich提供了SARS-CoV-2受体结合域（RBD）重组蛋白、Canavalia ensiformis Concavalin A（ConA）、牛血清白蛋白（BSA）以及盐FeCl3
