南京大學ACS Nano：模擬酶活性！用金納米顆粒檢測組織中的生物分子！

【引言】

金納米粒子具有優異的表面增強拉曼散射（SERS）活性和催化活性，這些特性有利于開發其在生物納米醫學和先進催化劑方面的潛在應用。先有Rossi等人發現包覆檸檬酸的金納米粒子對有氧條件下葡萄糖的催化氧化反應展現出葡萄糖催化氧化酶模擬活性。這一類具有酶模擬活性的納米催化材料被統一稱作“納米酶”。此后，使用金納米粒子模擬自然酶的研究越來越廣泛。另一方面，金納米粒子的等離子特性使得它的電磁場強度得到增強，在增強的電磁場中拉曼散射強度會有所提高。因此，金納米粒子作為表面增強拉曼光譜活性基底已經應用于很多化學和生物學方面的高靈敏度測試。

聯合金納米粒子的SERS活性和催化活性將會為實時監測金納米粒子催化反應和發展高靈敏度的生物測試手段提供潛在方案，這一聯合不僅可以降低生物測試的成本，而且能通過SERS提高生物測試的靈敏度。

【成果簡介】

目前，還沒有關于金納米粒子本征的催化模擬活性和SERS活性的聯合研究。近日，南京大學魏輝教授和周正揚教授（共同通訊）在ACS Nano上發表題為“Surface-Enhanced Raman Scattering-Active Gold Nanoparticleswith Enzyme Mimicking Activities for Measuring Glucoseand Lactate in Living Tissues”的文章。研究人員基于一種稱為MIL-101的多孔且熱穩定的金屬有機骨架材料（MOF），以原位生成金納米粒子的方式設計了一種具有過氧化物酶模擬特性的納米酶，并將其表示為AuNPs@MIL-101。這種納米酶在H₂O₂存在的情況下能夠將非拉曼活性隱色孔雀石綠（LMG）氧化為具拉曼活性的孔雀石綠（MG），同時，它還能夠作為SERS基板增強MG的拉曼散射信號。為了使用SERS對葡萄糖和乳酸進行體外檢測，他們還在AuNPs@MIL-101上安裝了葡萄糖氧化酶（GOx）和乳酸氧化酶（LOx），合成一體化納米酶，并將它們分別表示為AuNPs@MIL-101@GOx和AuNPs@MIL-101@LOx。此外，他們還對這種一體化納米酶進行了深入研究，用它們來監測活體大腦中葡萄糖和乳酸的含量變化，活體大腦中葡萄糖和乳酸的含量失常可能是缺血性中風的誘因。然后，綜合納米酶還被用在實驗大鼠身上，進行一些新藥的療效測評（比如治療大腦缺血性損傷的蝦青素）。它們還被用于監測葡萄糖和乳酸在腫瘤組織中的新陳代謝。本項研究不僅證明了聯合金納米粒子多重功能的巨大潛力，還為生物醫藥和催化劑等方面的研究提供了一種設計納米酶的有效方法。

【圖文導讀】

圖1、AuNPs@MIL-101@氧化酶的酶促級聯反應示意圖

首先，氧化酶的催化作用促使靶基（如：葡萄糖和乳酸）氧化反應發生，生成H₂O₂；在H₂O₂存在的情況下，一體化納米酶（AuNPs@MIL-101@oxidases）中的過氧化酶模擬物對非拉曼活性物質（例如：LMG）進行催化氧化作用，使其產生具拉曼活性的物質（例如：MG），同時，金納米粒子也增強了用于SERS檢測的拉曼光譜信號。很明顯，復合于MOF上的金納米粒子（AuNPs@MIL-101）需要通氧化酶修飾以形成一體化納米酶（AuNPs@MIL-101@oxidases），這是保證高效酶促級聯反應發生的關鍵。

圖2、AuNPs@MIL-101納米酶的制備及聯合性能

（A）AuNPs@MIL-101的TEM圖。

（B）AuNPs@MIL-101不僅可以在H₂O₂存在的情況下將非拉曼光譜活性的隱色孔雀石綠（LMG）催化氧化為具活性拉曼光譜孔雀石綠（MG），還能夠作為SERS基板增強活性拉曼光譜信號。

（C-D）在濃度為50mM的三羥甲基氨基甲烷-HCl溶液（pH 7.0）中分別添加(1)LMG + H₂O₂ (控制添加量), (2) LMG + H₂O₂ + MIL-101, (3)LMG+ H₂O₂ + AuNPs, and (4) LMG + H₂O₂ +AuNPs@MIL-101的樣品圖片（C）和相應的SERS光譜（D）。

圖3、MIL-101在一體化納米酶中的作用

（A）添加AuNPs和AuNPs@MIL-101的孔雀石綠（MG）的表面增強拉曼散射光譜（SERS）。

（B）添加AuNPs和AuNPs@MIL-101的孔雀石綠在1615 cm^-1條件下的標準化表面增強拉曼散射光譜（SERS）的強度對比。

圖4、不同粒徑金納米粒子對SERS活性的影響

小尺寸金納米粒子（10nm）表示為s-AuNPs@MIL-101；中等尺寸金納米粒子（38nm）表示為m-AuNPs@MIL-101；大尺寸金納米粒子（57nm）表示為l-AuNPs@MIL-101。

（A）和（D）為s-AuNPs@MIL-101的TEM圖。

（B）和（E）為m-AuNPs@MIL-101的TEM圖。

（C）和（F）為l-AuNPs@MIL-101的TEM圖。

（G）在添加了10mM的H₂O₂和1.25mM的LMG的50mM的三羥甲基氨基甲烷-HCl緩沖溶液（pH 7.0）中添加不同尺寸的金納米粒子后，在1615cm^-1條件下孔雀石綠的拉曼散射強度。誤差棒表示3組獨立測量數據的標準差。

圖5、通過一體化納米酶進行體外葡萄糖或乳酸檢測

(A) 利用一體化納米酶進行體外葡萄糖（或乳酸）測試的示意圖。

(B) 孔雀石綠（MG）在1615cm^-1條件下的拉曼散射強度與葡萄糖濃度的關系；內部嵌圖為呈線性關系的部分。

(C) 孔雀石綠（MG）在1615cm^-1條件下的拉曼散射強度關于乳酸濃度的關系；內部嵌套圖為呈線性關系的部分。

(D) 對綜合納米酶的拉曼散射選擇性進行測試，橫坐標1-7分別代表不含有其它物質、含有10 μM 5-HT、含有10 μM AA、含有10 μM DA、含有10μM DOPAC 、含有1 mM乳酸和含有10 μM UA 的500μM葡萄糖，該圖即為添加上述不同物質對標準拉曼散射峰的影響。

(E) 同樣，橫坐標1-7分別代表不含有其它物質、含有10 μM 5-HT、含有10 μM AA、含有10 μM DA、含有10μM DOPAC 、含有1 mM葡萄糖和含有10 μM UA 的500μM乳酸，該圖即為添加上述不同物質對標準拉曼散射峰的影響。

最終AuNPs@MIL-101@oxidases和非活性孔雀石綠（LMG）的濃度分別為100μg/mL和200μM。誤差棒表示3組獨立測量數據的標準差。添加不同物質的葡萄糖（或乳酸）在1615cm^-1條件下的孔雀石綠拉曼散射峰和其單獨存在時的標準值是一致的。

圖6、通過一體化納米酶進行ATX藥物療效測評

（A）使用基于一體化納米酶的檢測手段檢測活體實驗大鼠腦部葡萄糖和乳酸。

（B）大腦缺血/再灌注以及使用ATX進行治療的圖示。

（C）分別對大腦缺血和再灌注的大鼠進行和不進行ATX前期處理，圖為不同處理方式條件下葡萄糖和乳酸的動態變化。葡萄糖和乳酸的含量在不缺血條件下的標準值為100。

【小結】

本文詳細闡述了AuNPs@MIL-101兼具過氧化物酶模擬活性和表面增強拉曼光譜散射（SERS）活性的特點。能將非拉曼光譜活性的LMG催化氧化為具拉曼光譜活性的MG，產生SERS信號。然后在AuNPs@MIL-101上組裝氧化酶形成一體化納米酶，這能夠保證高效酶促級聯反應的發生，以便于通過表面增強拉曼散射光譜（SERS）來進行生物檢測。可以分別使用AuNPs@MIL-101@GOx和AuNPs@MIL-101@LOx一體化納米酶，在體外對葡萄糖和乳酸進性具有高靈敏度和高選擇性的檢測。另外，一體化納米酶也被用于大腦中葡萄糖和乳酸的檢測，這兩項指標和機體的生理學和病理學（例如：缺血性中風）狀態密切相關；并且可以用于對能夠緩解大腦缺血性損傷的藥物ATX的療效測評。不斷發展的一體化納米酶對其它生物反應的探索也能起到一定的推動作用（例如：在腫瘤組織中監測葡萄糖和乳酸的新陳代謝）。該研究不僅詳細闡述了聯合金納米粒子的多重功能特性以用于多功能生物檢測的巨大潛力，也為應用于生物醫藥方面的高效納米酶的設計提供了一種有效方法。

文獻鏈接：Surface-Enhanced Raman Scattering-Active Gold Nanoparticleswith Enzyme Mimicking Activities for Measuring Glucoseand Lactate in Living Tissues（ACS Nano，2017，DOI:?10.1021/acsnano.7b00905）

本文由材料人編輯部新人組劉夢瑋編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！