納米酶，不一樣的風采?/ 納米酶最新成果速遞

閻錫蘊（中國科學院生物物理研究所）

1. Nano Letters 鐵蛋白納米酶保護血-腦屏障的完整性抵抗瘧疾

腦部瘧疾是一種以中樞神經系統功能障礙為特征的瘧疾感染產生的致死性并發癥，通常不能通過抗瘧疾聯合療法得到有效治療。其中，對腦血管內皮細胞與被寄生蟲感染的紅細胞相互作用的隔離和血-腦屏障的破壞在發病機理中起關鍵作用。中國科學院生物物理研究所閻錫蘊院士課題組開發了一種由重組人鐵蛋白組成的鐵蛋白納米酶，該鐵蛋白納米酶針對血-腦屏障內皮細胞以及內部過氧化氫酶樣活性的Fe₃O₄納米酶用于清除體內活性氧。當對患有腦部瘧疾的小鼠給藥時，鐵蛋白納米酶通過保護血-腦屏障內皮細胞免受活性氧損傷并通過使巨噬細胞極化為M1型，促進血液中瘧疾的消除，降低寄生蟲血癥，從而顯著提高了存活率。該鐵蛋白納米酶顯著減輕了用蒿甲醚治療的腦部瘧疾小鼠的腦部炎癥和記憶障礙，鐵蛋白納米酶與抗瘧疾藥物聯合使用為治療腦部瘧疾提供一種的新策略。^[1]?相關研究以“Fenozyme Protects the Integrity of the Blood-Brain Barrier against?Experimental Cerebral Malaria”為題，發表在Nano Letters。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b03774?

圖一：鐵蛋白納米酶保護小鼠免于實驗性腦部瘧疾示意圖

2. Angew. Chem. Int. Ed.單原子納米酶抗菌

單原子催化劑已廣泛用于化學催化，但單原子納米酶是否具有良好的催化活性具有重要研究意義。中國科學院生物物理研究所閻錫蘊院士課題組與北京化工大學劉惠玉教授課題組合作提出了含有原子分散的鋅原子的鋅基沸石-咪唑鹽骨架（ZIF-8）衍生的碳納米材料可以用作高效的單原子過氧化物酶模擬物。實驗證明該單原子納米酶具有與天然酶相似的催化活性和M-N_x活性位點，其中高催化活性歸因于配位不飽和的Zn-N₄活性位點。該單原子納米酶促進過氧化氫分解和羥基自由基的形成，對銅綠假單胞菌的抑制率高達99.87％，并顯著促進傷口愈合。在體內感染的傷口模型中，該單原子納米酶可顯著促進傷口愈合，并對各種組織和器官無明顯毒性。這項工作為單原子催化劑在酶催化領域和生物應用中開辟了新的視野。^[2] 相關研究以“Single-Atom Nanozyme for Wound Antibacterial Applications”為題，發表在Angew. Chem. Int. Ed.。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201813994?

圖二：單原子納米酶用于傷口抗菌示意圖

3. Nano Letters過氧化氫響應型的納米酶用于鼻咽癌光聲成像

由于其在深層組織穿透和精細空間分辨率方面的優勢，光聲成像有望用于臨床癌癥診斷。中國科學院生物物理研究所閻錫蘊院士課題組與深圳第二人民醫院聶國輝課題組合作提出了一種外泌體樣、具有過氧化氫響應的納米酶囊泡用于鼻咽癌光聲成像。具有過氧化物酶樣活性的石墨烯量子點納米酶（GQDzyme）可在過氧化氫存在下將2, 2’-聯氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽（ABTS）有效地轉化為其氧化形式（oxABTS），其中oxABTS具有很強的近紅外吸收率，使其成為光聲成像的理想造影劑。通過用葉酸修飾的天然紅細胞膜對GQDzyme / ABTS納米顆粒進行仿生功能化來構建外泌體樣納米酶囊泡用于鼻咽癌的光聲成像。該外泌體樣納米酶囊泡能有效地積聚在鼻咽癌組織中，并選擇性觸發鼻咽癌組織中的催化型光聲成像。與正常組織相比，由于腫瘤的快速代謝，該納米酶囊泡能夠靈敏地檢測鼻咽癌中過氧化氫的相對增加，還具有優異的隱身能力，延長了循環時間，并改善了腫瘤中的蓄積。這項工作是基于納米酶的催化成像策略在體內進行的首次應用，為鼻咽癌的治療提供一種新的思路。^[3]?相關研究以“Exosome-like Nanozyme Vesicles for H₂O₂?Responsive Catalytic?Photoacoustic Imaging of Xenograft Nasopharyngeal Carcinoma”為題，發表在Nano Letters。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03709?

圖三：催化型納米酶囊泡用于鼻咽癌腫瘤的光聲成像的示意圖

曲曉剛（中國科學院長春應用化學研究所）

4. ACS Nano納米酶作為體內傷口愈合的自激活級聯試劑

由于過氧化物酶的最佳反應發生在pH值為3-4的強酸性環境中，嚴重限制了具有過氧化物酶樣活性的金屬有機框架（MOF）在生物醫學領域中性pH的體內應用很少，而且直接引入相對較高濃度和毒性的反應試劑H₂O₂會對正常組織造成一定的損害。中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛教授課題組通過超薄二維MOF納米片作為過氧化物酶模擬物，以物理吸附葡萄糖氧化酶來制備MOF納米酶復合體，并構建了基于MOF納米酶復合體作為良性和自活化的級聯試劑用于體內和體外抗菌。葡萄糖氧化酶可以將無毒的葡萄糖連續轉化為豐富的葡萄糖酸和H₂O₂，避免了直接使用相對較高濃度和有毒的H₂O₂，并將整個系統的pH值降低至3-4，把副作用降至最低。通過催化葡萄糖以自激活2D MOF納米片的過氧化物酶樣活性，同時產生的大量H₂O₂可用于隨后的2D MOF納米片的催化，從而產生提高了劇毒?OH的產生效率和抗菌能力。這種設計的良性和自激活級聯試劑具有強大的抗菌作用，其生物毒性可忽略不計，并且會促進基于MOF納米酶在生物化學和生物醫學領域的應用。^[4]?相關研究以“Two-Dimensional Metal-Organic Framework/Enzyme Hybrid Nanocatalyst as a Benign and?Self-Activated Cascade Reagent for in Vivo?Wound Healing”為題，發表在ACS Nano。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b09501?

圖四：MOF納米酶復合體的制備及抗菌示意圖

5. Biomaterials納米酶破壞生物膜并阻礙細菌的增殖

細菌生物膜正對全球公共健康構成嚴重威脅。細胞外DNA作為生物膜細胞外聚合物中的重要成分可以將不同的細胞外聚合物成分和細菌連接在一起，導致生物膜難以消除。中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛教授課題組設計并合成了一系列具有和過氧化物酶模擬活性的MOF/Ce納米酶用于對抗生物膜。具有脫氧核糖核酸酶活性的鈰（IV）復合物能夠水解細胞外DNA并破壞已建立的生物膜，而具有過氧化物酶樣活性的MOF可以殺死存在H₂O₂時分散在生物膜中的細菌，這樣可以避免細菌的重新定殖和生物膜的復發。兩種納米酶的結合是獲得增強的抗生物膜性能的合理策略，這種具有雙重酶模擬活性的納米酶可以穿透生物膜，并強烈抑制細菌生物膜的形成。該工作有助于協同多納米酶系統的設計，并為MOF納米酶的更深入的應用提供新的思路。^[5]?相關研究以“A series of MOF/Ce-based nanozymes with dual enzyme-like activity?disrupting biofilms and hindering recolonization of bacteria”為題，發表在Biomaterials。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961219302182?

圖五：MOF/Ce納米酶用于抗生物膜應用的示意圖

6. Angew. Chem. Int. Ed.缺陷豐富的納米酶作為新型抗生素增強細菌抑制作用

納米酶是具有廣譜抗菌特性和低的生物毒性的新一代抗生素。但是納米酶不能捕獲細菌而且催化活性較低，導致抗菌效果不令人滿意。中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛教授課題組提出了具有粗糙表面和缺陷豐富的活性邊緣的納米酶用于抗菌研究。由于H₂O₂較低的吸附能和OH*的解吸能以及整個反應的較大放熱過程，與原始的納米酶相比，粗糙的表面增加了細菌的附著力，并且富含缺陷的邊緣表現出更高的過氧化物酶樣活性。此外，引入先天性光熱效應在體外和體內均導致更高的治療效果。該工作不僅開發了一種新的策略來生產具有細菌捕獲能力的高效納米酶作為替代抗生素，而且還通過整合納米拓撲、缺陷摻入和催化性能為生物材料設計提供了新的見識。^[6]?相關研究以“Defect-Rich Adhesive Nanozymes as Efficient Antibiotics for Enhanced Bacterial Inhibition”為題，發表在Angew. Chem. Int. Ed.。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908289?

圖六：制備含缺陷的粘性納米酶和細菌的捕獲和消滅示意圖

7. JACS納米酶的H₂O₂穩態破壞器用于強化化學動力療法

化學動力療法（CDT）是通過腫瘤內源性刺激激活殺傷癌細胞獲得廣泛的關注。在腫瘤細胞中CDT利用Fe²⁺介導的芬頓反應或Cu²⁺或Mn²⁺介導的芬頓反應可以將反應性較低的過氧化氫轉化為羥基自由基，產生的活性氧（ROS）可以誘導細胞凋亡和壞死，從而實現對腫瘤細胞的殺傷。中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛教授課題組提出了一種利用納米酶提升腫瘤細胞內雙氧水含量的方法。納米酶可以促進雙氧水的產生同時能抑制雙氧水分解，來提高腫瘤細胞內的雙氧水含量，可以用于增強CDT對腫瘤細胞的殺傷作用。實驗證明了納米酶復合體在癌細胞內可以促進雙氧水的合成同時抑制雙氧水被谷胱甘肽消耗和被過氧化氫酶的分解，有效的提高腫瘤細胞內雙氧水的水平，并通過芬頓反應將雙氧水轉化成對腫瘤細胞有殺傷能力的羥基自由基。該方法的開發為其它激活方式提高CDT治療能力提供了一個新的思路。^[7] 相關研究以“Bioinspired Construction of a Nanozyme-Based H₂O₂?Homeostasis Disruptor for Intensive Chemodynamic Therapy”為題，發表在J. Am. Chem. Soc.。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b12873?

圖七：納米酶復合體合成及化學動力療法示意圖

8. Adv. Funct. Mater.納米酶水凝膠增強捕獲和消滅細菌的能力

濫用抗生素引起的廣泛的多藥耐藥性促使研究人員探索治療細菌感染的新方法。納米酶可以模擬天然酶的功能，以誘導產生高毒性的活性氧（ROS）作為抗菌劑。但是，納米酶和細菌之間缺乏有效的相互作用，并且內在活性氧的固有壽命短和擴散距離極大地減弱了它們的殺菌活性。中國科學院長春應用化學研究所曲曉剛教授課題組開發了帶正電荷且多孔的MoS₂納米酶-水凝膠以實現增強的抗菌劑。具有正電荷和大孔特性的納米酶-水凝膠可以捕獲和限制ROS破壞范圍內的細菌。通過結合MoS₂納米酶的近紅外光熱性質，納米酶-水凝膠可以實現協同的殺菌作用，并消除細菌并降低發炎的風險，皮膚傷口的愈合速度將加快。通過MoS₂納米酶-水凝膠優良特性提高納米酶抗菌性能，同時促進傷口愈合的原始策略。納米酶和水凝膠的結合減少了MoS₂納米酶對組織的損傷，為有效消除細菌和更好的生物安全性提供了更好的選擇，并且可以為納米酶的廣泛抗菌研究提供新見解。^[8]?相關研究以“Construction of Nanozyme-Hydrogel for Enhanced Capture?and Elimination of Bacteria”為題，發表在Adv. Funct. Mater.。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201900518

圖八：制備MoS₂納米酶-水凝膠及其用于清除細菌和傷口感染的治療示意圖

魏輝（南京大學）

9. Small納米酶用于清除香煙煙霧中的ROS

全球煙草仍然是對公共衛生的毀滅性威脅。香煙煙霧中的有毒活性氧（ROS）無法通過當前可用的香煙過濾嘴有效地消除，產生的氧化應激會導致嚴重的肺損傷和其他疾病。南京大學魏輝教授課題組提出了使用新型銅鞣酸配位（CuTA）納米酶作為高活性和熱穩定的ROS清除劑。CuTA納米酶表現出超氧化物歧化酶樣活性，過氧化氫酶樣活性和羥基自由基消除能力。這些協同的抗氧化能力使CuTA納米酶成為改善商用香煙過濾嘴有潛力的應用領域。載有CuTA納米酶的商用卷煙可有效清除卷煙煙氣中的ROS，減少氧化應激引起的肺部炎癥，并最大程度減少急性肺損傷。CuTA納米酶提供了具有多種抗氧化能力的有效ROS清除劑，為修飾香煙過濾嘴以減少香煙煙霧的毒性開創了新的機遇。^[9]?相關研究以“Copper Tannic Acid Coordination Nanosheet: A Potent?Nanozyme for Scavenging ROS from Cigarette Smoke”為題，發表在Small.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201902123

圖九：CuTA納米酶應用于香煙過濾嘴ROS清除的設計和合成示意圖

10. Anal. Chem.納米酶用于總抗氧化能力的測定

由于在氮摻雜的碳納米酶中的重構電子結構對于催化過程是有利的，因此氮摻雜策略以增強碳納米酶的活性。然而，由于氮元素在高煅燒溫度下的不穩定性，仍然難以獲得具有高氮含量的碳納米酶。南京大學魏輝教授課題組提出了一種新的氮摻雜策略，以高含氮聚合物（聚乙烯亞胺（PEI））為氮源和天然粘土礦物（蒙脫土（MMT））作為模板，以制備高活性的過氧化物酶樣碳納米酶。帶有PEI的MMT的組裝可在高煅燒溫度下保護氮元素的損失，從而保留更多的催化活性氮位點。羥基自由基是過氧化物酶樣催化作用的關鍵中間體，通過使用具有高活性和特定的碳納米酶來檢測H₂O₂、葡萄糖和抗壞血酸，并檢測了四種商業飲料中的總抗氧化能力。該研究不僅提供了一種制備過氧化物酶樣納米酶的新策略，而且還開發了一種簡便的總抗氧化能力測定法，可用于將來評估醫療保健中的抗氧化劑食品質量和氧化應激。^[10]?相關研究以“N?Doped Carbon As Peroxidase-Like Nanozymes for Total?Antioxidant Capacity Assay”為題，發表在Anal. Chem.。

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.analchem.9b04333

圖十：碳納米酶的制備及其總抗氧化能力測定

11. Anal. Chem.熒光納米酶比率生物傳感

當前大多數納米酶生物傳感系統均基于單信號輸出，這種檢測系統很容易受到環境和個人因素的影響，但是具有比例信號輸出的納米酶傳感系統將提供更可靠，更強大的傳感性能。南京大學魏輝教授課題組制備了三種具有過氧化物酶樣活性的g-C₃N₄的熒光納米酶，并基于g-C₃N₄-Ru納米酶構建了一種用于過氧化氫及其相關代謝產物的比例熒光傳感器。熒光納米酶在385 nm激發時發出438 nm的熒光，在H₂O₂和納米酶的存在下鄰苯二胺被催化氧化為oxOPD，其中oxOPD不僅可以發出564 nm處的熒光，還可以猝滅該納米酶上438 nm處的熒光。利用在564 nm和438 nm處的熒光強度之比作為信號輸出，以構建比例式生物傳感系統用于檢測磷酸鹽和過氧化氫及其相關代謝產物。這項研究提出了一種構建比例納米酶生物傳感系統的新方法。^[11]?相關研究以“Fluorescent Graphitic Carbon Nitride-Based Nanozymes with Peroxidase-Like Activities for Ratiometric Biosensing”為題，發表在Anal. Chem.。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.9b01884?

圖十一：g-C₃N₄熒光納米酶比例生物傳感示意圖

12. Nature Communications e_g占有率作為鈣鈦礦納米酶催化活性的有效評估

過氧化物酶用于催化過氧化物底物的氧化。但是缺乏預測性的描述，過氧化物酶類和其他酶類納米材料（稱為納米酶）的探索主要依靠反復試驗的策略。南京大學魏輝教授課題組研究了e_g軌道的占有率作為過渡金屬氧化物（包括鈣鈦礦氧化物）納米酶過氧化物酶樣活性的評估指標。由于氧在這些仿生催化反應中起著核心作用，e_g軌道占有率可能控制鈣鈦礦型過渡金屬氧化物的過氧化物酶樣活性。利用具有BO₆八面體亞基的ABO₃型鈣鈦礦型過渡金屬氧化物作為模型系統研究其催化活性與e_g軌道占有率的關系，通過調節ABO₃組成來促進e_g軌道占有率調節。實驗測試和密度泛函理論計算均揭示了e_g軌道的占有率與納米酶活性之間的火山關系，其中過氧化物酶樣活性最高，對應于e_g軌道約1.2的占有率。該研究提供了對納米酶過氧化物酶樣活性催化機制的深入了解以及納米酶的適應性結構和催化活性的關系，給進一步探索e_g軌道的占有率來預測其他金屬氧化物的酶樣活性提供了新的見解。^[12] 相關研究以“e_g?occupancy as an effective descriptor for the?catalytic activity of perovskite oxide-based?peroxidase mimics”為題，發表在Nature Communications。

https://www.nature.com/articles/s41467-019-08657-5

圖十二：鈣鈦礦型過渡金屬氧化物過氧化物酶活性研究示意圖

參考文獻

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3. Ding H., Cai Y, GaoL., et al.Exosome-like Nanozyme Vesicles for H₂O₂?Responsive Catalytic?Photoacoustic Imaging of Xenograft Nasopharyngeal Carcinoma. [J] Nano Lett. 2019, 19, 203-209.

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12. Wang X., Gao X., Qin L., et al.e_goccupancy as an effective descriptor for the catalytic activity of perovskite oxide-based peroxidase mimics. [J] Nature Communications 2019, 10, 704.

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