Adv.?Funct.?Mater.?| 新興納米酶在神經系統疾病治療中的應用：橋接氧化還原酶模擬和抗氧化化學

由于全球人口增長和老齡化，神經系統疾病（包括神經退行性疾病、神經創傷性疾病和神經炎癥）的患病率持續上升。這些疾病的一個關鍵致病因素是活性氧和氮物質（RONS）的過度積累。納米酶因其卓越的催化活性和穩定性，成為神經治療領域的有力候選藥物，它們能夠穿過血腦屏障，通過模擬天然酶的特性有效抵消活性氧的產生。

近日，西南民族大學化學與環境學院雍媛研究員與川北醫學院臨床醫學院唐曉平、楊漢豐團隊詳細探討了納米酶在神經系統疾病中的最新應用及其抗氧化還原化學機制。該綜述首先通過Web of Science檢索，采用文獻計量學方法確定了年度出版趨勢，并廣泛探討了該領域的研究熱點及主要神經系統疾病。隨后，文章系統地討論了納米酶的抗氧化還原化學機制，特別強調了它們模擬天然氧化還原酶活性并從源頭抑制RONS產生的能力。此外，該綜述深入分析了這些機制在治療神經系統疾病方面的當前局限性和未來前景，突出了納米酶在治療神經系統疾病中的最新進展，為其在治療應用和對神經病學的更廣泛影響方面提供了深入見解。

通過檢索到近十年來關于“納米酶與神經系統疾病”主題的共計182篇出版物。根據文章發表年份分析這些研究的年度增長情況，發現從2014年到2023年，發表的研究數量總體呈上升趨勢（圖1A）。由此可得，納米酶在神經系統疾病中的應用在此期間引起了研究人員越來越多的關注。2017年之前，納米酶在神經系統疾病研究中的關注很少。此后，相關研究迅速增加。特別是在最近三年，出版物數量顯著增加，占檢索到的總出版物數量的73.08％。圖1B概述了納米酶在神經疾病研究中的關鍵發展歷程，從2004年發現金納米顆粒的葡萄糖氧化酶樣活性，到近期的單原子催化劑和核殼結構納米酶的創新。圖1C中的關鍵詞共現網絡展示了該領域的研究熱點。最后，圖1D展示了七大主要神經疾病的研究分布比例，為納米酶在神經疾病中的研究提供了全面的概覽。

圖1. “納米酶和神經系統疾病”領域出版物的文獻計量分析。

氧化應激（OS）是體內氧化和抗氧化作用失衡的系統，是生物體中自由基產生的一種負面影響。在正常生理條件下，機體可以清除過量的ROS，使其處于動態平衡狀態，以防止氧化損傷。最常見的ROS包括超氧陰離子（O₂^·?）、羥基自由基（?OH）和過氧化氫（H₂O₂）； RONS包括一氧化氮（NO）、亞硝酸鹽（NO₂^?）和過氧亞硝酸鹽（?ONOO^?）。由于RONS能夠直接或間接地氧化或損傷DNA、蛋白質和脂質，從而引發基因突變、蛋白質變性和脂質過氧化，被認為是人類衰老和各類重大疾病，如腫瘤、心腦血管疾病、神經退行性疾病、糖尿病等最重要的危險因素。細胞內參與RONS調控的天然氧化還原酶包括OXD、POD、CAT、GPx和SOD，在維持細胞內氧化還原穩態中發揮重要作用。但在病理條件下，這些酶的活性降低，導致細胞內的抗氧化系統不能平衡過度表達的RONS。利用抗氧化納米酶去除過表達的RONS被認為是一種可行的抗氧化策略。目前，納米酶的研究還集中在模擬氧化還原酶上，它通過酶促反應將有毒自由基轉化為毒性較小或無毒的物質來清除RONS，抗氧化納米酶的催化機制主要包括電子轉移、吸附活化和價態轉化。

圖2A描述了在神經系統中活性氧和氮物質（RONS）的生成和代謝過程，展示了它們在神經疾病中的重要作用。圖2B展示了不同氧化還原酶（如氧化酶、過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶）介導的催化反應機制，強調了這些酶在分解有害物質中的協同作用。最后，圖2C展示了這些氧化還原酶在神經疾病代謝中的協同作用機制，進一步說明了納米酶通過模擬這些天然酶的活性，能夠有效調節神經系統中的氧化應激。

圖2. 神經系統中 RONS 生成和代謝的示意圖及不同氧化還原酶（包括 OXD、POD、GPx、SOD和CAT）介導的催化反應機制。

神經系統疾病具有多種特征和發病機制，既影響中樞神經系統，又影響周圍神經系統。根據其潛在機制和對神經系統的影響，它們可以大致分為各種不同類型。納米酶通過模擬天然酶的活性，抑制RONS產生，減少氧化應激和炎癥反應，從而保護神經元并改善神經功能。納米酶在跨越血腦屏障、靶向病變區域和長效循環等方面展示了獨特優勢，為神經系統疾病的治療提供了新的希望。

圖3. 納米酶通過減少氧化應激和炎癥治療神經系統疾病的示意圖。

最后，作者對納米酶的研究做了總結和展望。盡管納米酶在神經系統疾病治療中展示了巨大的潛力，仍存在一些挑戰需要解決。首先，納米酶在體內的生物分布、代謝路徑和潛在毒性需進一步研究，以確保其安全性和有效性。其次，優化納米酶的設計，使其在生理條件下表現出更高的穩定性和催化活性，將是未來研究的重點。多學科合作，包括材料科學、生物醫學和臨床醫學，將推動納米酶從實驗室走向臨床應用。未來，隨著納米技術和酶學研究的不斷深入，納米酶在神經系統疾病治療中的應用前景將更加廣闊。高通量篩選技術和計算模擬的結合將加速新型高效納米酶的發現和設計。納米酶的多功能化改造，使其不僅具有抗氧化還原功能，還能實現靶向藥物遞送、成像和診療一體化，將進一步提升其在精準醫學中的應用價值。總之，納米酶作為一種新興的治療工具，有望在未來神經系統疾病的診斷和治療中發揮關鍵作用，為患者帶來更多的希望和福音。

相關論文近期以“Emerging Nanozymes in Neurological Disorder?Therapeutics: Bridging Oxidoreductase Mimicry and?Antioxidant Chemistry”為題發表在國際知名期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202405190）。該論文的第一作者為川北醫學院附屬醫院蔣國會教授，博士生徐琦琦為論文的共同作者。通訊作者為西南民族大學雍媛研究員、川北醫學院臨床醫學院唐曉平、楊漢豐教授。