北师大曹玮教授/清华许华平教授《自然·通讯》：分子工程改造黑色素，实现高效γ射线生物防护

摘要：随着电离辐射在医疗、工业及太空探索中的广泛应用，开发轻量、生物相容且高效的新型辐射防护材料已成为迫切需求。传统材料如铅和混凝土虽广泛应用，但存在笨重、有毒等局限；尽管已有无铅替代材料如含金属微纳米材料及聚合物问世，但其生物相容性与轻量化仍面临挑战。

随着电离辐射在医疗、工业及太空探索中的广泛应用，开发轻量、生物相容且高效的新型辐射防护材料已成为迫切需求。传统材料如铅和混凝土虽广泛应用，但存在笨重、有毒等局限；尽管已有无铅替代材料如含金属微纳米材料及聚合物问世，但其生物相容性与轻量化仍面临挑战。

近日，北京师范大学曹玮教授、清华大学许华平教授合作通过分子工程策略对黑色素进行结构优化，成功开发出一系列无金属的硒代黑色素纳米材料（SeMNPs）。该类材料具有增强的共轭结构、提升的物理屏蔽性能以及优异的抗氧化能力。在动物实验中，经工程化改造的黑色素材料显著提高了小鼠在6 Gy全身γ射线照射后的存活率，从仅约12%提升至100%，展现出卓越的体内辐射防护潜力。相关论文以“Molecular engineering of melanin for enhanced biological γ-ray protection”为题，发表在Nature Communications上，论文第一作者为Deng Ruotong。

研究人员通过调控黑色素单体的侧链结构，合成出四种不同结构的硒代黑色素纳米粒子（SeMNPs-1至4）。透射电镜与动态光散射结果显示它们呈球形且尺寸均匀，X射线光电子能谱证实了硒的成功掺入，其中SeMNPs-2和4的硒含量显著高于其他组。进一步的密度泛函理论计算表明，减少羧基含量可增强分子共轭性与构型稳定性，为其辐射防护机制提供结构基础。

图1 | 分子工程黑色素在体内γ射线防护中显著提高小鼠存活率。图示经工程化改造的黑色素材料在6 Gy全身照射后将小鼠存活率从约12%提升至100%。

图2 | 分子工程SeMNPs的合成与表征。（A）通过氧化聚合制备SeMNPs的路线；（B）SeMNPs和真黑色素纳米颗粒（NPs）的紫外-可见光谱；（C）SeMNPs的XPS硒3d谱；（D）SeMNPs的高角度环形暗场成像（HAADF）叠加硒（紫）、氮（绿）、碳（蓝）元素分布图。

通过傅里叶变换红外光谱与固态核磁共振分析，研究人员系统比较了不同SeMNPs的化学结构差异，发现羧基含量减少可增强芳香结构与脂肪族链的比例，进而影响其理化性质。计算机断层扫描（CT）成像显示，SeMNPs相较于天然黑色素纳米颗粒具有更高的X射线吸收系数，尤其是SeMNPs-4表现最佳，说明其具备优异的物理屏蔽性能。

图3 | 分子工程SeMNPs的化学结构。（A–D）SeMNPs二聚体的旋转能垒（ΔG‡rot）和二面角（D）的DFT计算结果；（E）SeMNPs和真黑色素NPs的FTIR局部谱图；（F）单体、SeMNPs和真黑色素NPs的13C固态核磁谱。

在抗氧化能力方面，SeMNPs展现出广谱自由基清除能力，包括超氧阴离子、过氧化氢、羟基自由基、一氧化氮和DPPH自由基。雷达图综合比较表明，SeMNPs-4在所有测试中均表现最优，其抗氧化性能显著优于其他组别及商用抗氧化剂。

图4 | SeMNPs的辐射衰减与抗氧化能力。（A–B）80 kVp下不同质量浓度SeMNPs和真黑色素NPs的CT图像与CT值；（C）不同硒浓度下SeMNPs与含硒单体的CT值；（D）不同SeMNPs与真黑色素NPs的ROS清除能力雷达图；（E–I）分别为O₂⁻、H₂O₂、·OH、NO·和DPPH清除活性。

在细胞层面，SeMNPs能有效保护人皮肤角质细胞（HaCaT）免受高剂量γ射线损伤。克隆形成实验显示，经SeMNPs-2和4处理的细胞在10 Gy照射后仍保持较高存活率。进一步机制研究表明，SeMNPs可缓解辐射引起的G2/M期细胞周期阻滞、减少DNA损伤（γ-H2AX foci和彗星实验）、抑制活性氧（ROS）积累和脂质过氧化，尤其是在低浓度（0.004 mg/mL）下仍表现出显著保护效果。

图5 | SeMNPs在HaCaT细胞中对γ射线的辐射防护作用。（A–B）克隆形成实验及统计；（C–D）细胞周期分布；（E）F-肌动蛋白染色；（F）γ-H2AX焦点染色；（G）彗星实验；（H–I）ROS与脂质过氧化荧光成像；（J–M）定量分析与流式细胞术结果。

通过mRNA测序与生物信息学分析，研究人员发现SeMNPs-4能调控多个与DNA损伤应答、细胞周期、氧化磷酸化和ROS生物合成相关的基因表达。基因集富集分析（GSEA）表明，该材料通过下调ROS生成相关基因、上调细胞周期进程基因，显著缓解了辐射引起的转录组紊乱。

图6 | γ射线照射下SeMNPs调控基因表达的全面分析。（A）mRNA测序实验示意图；（B）热图与聚类分析；（C–D）GO富集分析；（E–F）GSEA分析；（G–H）细胞周期与ROS生物合成相关基因热图；（I–J）KEGG通路网络。

在动物模型中，SPECT-CT成像显示SeMNPs-4在小鼠体内分布广泛，主要聚集于胸腔、肝、脾和肾脏，并可通过粪便和尿液排泄。在8 Gy照射后第四天，SeMNPs-4能显著减轻多器官（脾、肺、肾、睾丸和肝）的早期损伤，效果优于商用辐射防护剂Amifostine和超氧化物歧化酶（SOD）。更重要的是，在6 Gy全身照射后30天，SeMNPs-4处理组小鼠存活率达100%，且体重、血液指标和器官形态均保持正常，而未经保护组存活率仅12%，传统黑色素材料（DA NPs）组也仅33.3%。

图7 | SeMNPs-4在体内的γ射线防护效果。（A）SPECT-CT成像流程；（B）⁹⁹ᵐTc-SeMNPs-4与游离⁹⁹ᵐTcO₄⁻在不同时间点的SPECT-CT图像；（C）体内实验时间线；（D）多器官H&E染色病理图；（E–G）小鼠存活率与体重变化统计。

该研究通过分子工程手段成功构建出具有高共轭度和优异生物相容性的硒代黑色素材料，不仅显著提升了对γ射线的防护效能，还系统揭示了其通过物理屏蔽、抗氧化调控和基因表达调节等多重机制发挥辐射保护作用。这项工作为设计新型无金属、轻量化辐射防护材料提供了重要思路，其分子调控策略也有望推广至其他生物大分子材料（如木质素和内在无序蛋白）的功能化设计，具有广泛的科学价值与应用前景。