纳米酶，不一样的风采 / 纳米酶最新成果速递

阎锡蕴（中国科学院生物物理研究所）

1. Nano Letters 铁蛋白纳米酶保护血-脑屏障的完整性抵抗疟疾

脑部疟疾是一种以中枢神经系统功能障碍为特征的疟疾感染产生的致死性并发症，通常不能通过抗疟疾联合疗法得到有效治疗。其中，对脑血管内皮细胞与被寄生虫感染的红细胞相互作用的隔离和血-脑屏障的破坏在发病机理中起关键作用。中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士课题组开发了一种由重组人铁蛋白组成的铁蛋白纳米酶，该铁蛋白纳米酶针对血-脑屏障内皮细胞以及内部过氧化氢酶样活性的Fe₃O₄纳米酶用于清除体内活性氧。当对患有脑部疟疾的小鼠给药时，铁蛋白纳米酶通过保护血-脑屏障内皮细胞免受活性氧损伤并通过使巨噬细胞极化为M1型，促进血液中疟疾的消除，降低寄生虫血症，从而显著提高了存活率。该铁蛋白纳米酶显著减轻了用蒿甲醚治疗的脑部疟疾小鼠的脑部炎症和记忆障碍，铁蛋白纳米酶与抗疟疾药物联合使用为治疗脑部疟疾提供一种的新策略。^[1] 相关研究以“Fenozyme Protects the Integrity of the Blood-Brain Barrier against Experimental Cerebral Malaria”为题，发表在Nano Letters。

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

图一：铁蛋白纳米酶保护小鼠免于实验性脑部疟疾示意图

2. Angew. Chem. Int. Ed.单原子纳米酶抗菌

单原子催化剂已广泛用于化学催化，但单原子纳米酶是否具有良好的催化活性具有重要研究意义。中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士课题组与北京化工大学刘惠玉教授课题组合作提出了含有原子分散的锌原子的锌基沸石-咪唑盐骨架（ZIF-8）衍生的碳纳米材料可以用作高效的单原子过氧化物酶模拟物。实验证明该单原子纳米酶具有与天然酶相似的催化活性和M-N_x活性位点，其中高催化活性归因于配位不饱和的Zn-N₄活性位点。该单原子纳米酶促进过氧化氢分解和羟基自由基的形成，对铜绿假单胞菌的抑制率高达99.87％，并显着促进伤口愈合。在体内感染的伤口模型中，该单原子纳米酶可显着促进伤口愈合，并对各种组织和器官无明显毒性。这项工作为单原子催化剂在酶催化领域和生物应用中开辟了新的视野。^[2] 相关研究以“Single-Atom Nanozyme for Wound Antibacterial Applications”为题，发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

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

图二：单原子纳米酶用于伤口抗菌示意图

3. Nano Letters过氧化氢响应型的纳米酶用于鼻咽癌光声成像

由于其在深层组织穿透和精细空间分辨率方面的优势，光声成像有望用于临床癌症诊断。中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士课题组与深圳第二人民医院聂国辉课题组合作提出了一种外泌体样、具有过氧化氢响应的纳米酶囊泡用于鼻咽癌光声成像。具有过氧化物酶样活性的石墨烯量子点纳米酶（GQDzyme）可在过氧化氢存在下将2, 2’-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐（ABTS）有效地转化为其氧化形式（oxABTS），其中oxABTS具有很强的近红外吸收率，使其成为光声成像的理想造影剂。通过用叶酸修饰的天然红细胞膜对GQDzyme / ABTS纳米颗粒进行仿生功能化来构建外泌体样纳米酶囊泡用于鼻咽癌的光声成像。该外泌体样纳米酶囊泡能有效地积聚在鼻咽癌组织中，并选择性触发鼻咽癌组织中的催化型光声成像。与正常组织相比，由于肿瘤的快速代谢，该纳米酶囊泡能够灵敏地检测鼻咽癌中过氧化氢的相对增加，还具有优异的隐身能力，延长了循环时间，并改善了肿瘤中的蓄积。这项工作是基于纳米酶的催化成像策略在体内进行的首次应用，为鼻咽癌的治疗提供一种新的思路。^[3] 相关研究以“Exosome-like Nanozyme Vesicles for H₂O₂‑Responsive Catalytic Photoacoustic Imaging of Xenograft Nasopharyngeal Carcinoma”为题，发表在Nano Letters。

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

图三：催化型纳米酶囊泡用于鼻咽癌肿瘤的光声成像的示意图

曲晓刚（中国科学院长春应用化学研究所）

4. ACS Nano纳米酶作为体内伤口愈合的自激活级联试剂

由于过氧化物酶的最佳反应发生在pH值为3-4的强酸性环境中，严重限制了具有过氧化物酶样活性的金属有机框架（MOF）在生物医学领域中性pH的体内应用很少，而且直接引入相对较高浓度和毒性的反应试剂H₂O₂会对正常组织造成一定的损害。中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚教授课题组通过超薄二维MOF纳米片作为过氧化物酶模拟物，以物理吸附葡萄糖氧化酶来制备MOF纳米酶复合体，并构建了基于MOF纳米酶复合体作为良性和自活化的级联试剂用于体内和体外抗菌。葡萄糖氧化酶可以将无毒的葡萄糖连续转化为丰富的葡萄糖酸和H₂O₂，避免了直接使用相对较高浓度和有毒的H₂O₂，并将整个系统的pH值降低至3-4，把副作用降至最低。通过催化葡萄糖以自激活2D MOF纳米片的过氧化物酶样活性，同时产生的大量H₂O₂可用于随后的2D MOF纳米片的催化，从而产生提高了剧毒•OH的产生效率和抗菌能力。这种设计的良性和自激活级联试剂具有强大的抗菌作用，其生物毒性可忽略不计，并且会促进基于MOF纳米酶在生物化学和生物医学领域的应用。^[4] 相关研究以“Two-Dimensional Metal-Organic Framework/Enzyme Hybrid Nanocatalyst as a Benign and Self-Activated Cascade Reagent for in Vivo Wound Healing”为题，发表在ACS Nano。

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

图四：MOF纳米酶复合体的制备及抗菌示意图

5. Biomaterials纳米酶破坏生物膜并阻碍细菌的增殖

细菌生物膜正对全球公共健康构成严重威胁。细胞外DNA作为生物膜细胞外聚合物中的重要成分可以将不同的细胞外聚合物成分和细菌连接在一起，导致生物膜难以消除。中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚教授课题组设计并合成了一系列具有和过氧化物酶模拟活性的MOF/Ce纳米酶用于对抗生物膜。具有脱氧核糖核酸酶活性的铈（IV）复合物能够水解细胞外DNA并破坏已建立的生物膜，而具有过氧化物酶样活性的MOF可以杀死存在H₂O₂时分散在生物膜中的细菌，这样可以避免细菌的重新定殖和生物膜的复发。两种纳米酶的结合是获得增强的抗生物膜性能的合理策略，这种具有双重酶模拟活性的纳米酶可以穿透生物膜，并强烈抑制细菌生物膜的形成。该工作有助于协同多纳米酶系统的设计，并为MOF纳米酶的更深入的应用提供新的思路。^[5] 相关研究以“A series of MOF/Ce-based nanozymes with dual enzyme-like activity disrupting biofilms and hindering recolonization of bacteria”为题，发表在Biomaterials。

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

图五：MOF/Ce纳米酶用于抗生物膜应用的示意图

6. Angew. Chem. Int. Ed.缺陷丰富的纳米酶作为新型抗生素增强细菌抑制作用

纳米酶是具有广谱抗菌特性和低的生物毒性的新一代抗生素。但是纳米酶不能捕获细菌而且催化活性较低，导致抗菌效果不令人满意。中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚教授课题组提出了具有粗糙表面和缺陷丰富的活性边缘的纳米酶用于抗菌研究。由于H₂O₂较低的吸附能和OH*的解吸能以及整个反应的较大放热过程，与原始的纳米酶相比，粗糙的表面增加了细菌的附着力，并且富含缺陷的边缘表现出更高的过氧化物酶样活性。此外，引入先天性光热效应在体外和体内均导致更高的治疗效果。该工作不仅开发了一种新的策略来生产具有细菌捕获能力的高效纳米酶作为替代抗生素，而且还通过整合纳米拓扑、缺陷掺入和催化性能为生物材料设计提供了新的见识。^[6] 相关研究以“Defect-Rich Adhesive Nanozymes as Efficient Antibiotics for Enhanced Bacterial Inhibition”为题，发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

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

图六：制备含缺陷的粘性纳米酶和细菌的捕获和消灭示意图

7. JACS纳米酶的H₂O₂稳态破坏器用于强化化学动力疗法

化学动力疗法（CDT）是通过肿瘤内源性刺激激活杀伤癌细胞获得广泛的关注。在肿瘤细胞中CDT利用Fe²⁺介导的芬顿反应或Cu²⁺或Mn²⁺介导的芬顿反应可以将反应性较低的过氧化氢转化为羟基自由基，产生的活性氧（ROS）可以诱导细胞凋亡和坏死，从而实现对肿瘤细胞的杀伤。中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚教授课题组提出了一种利用纳米酶提升肿瘤细胞内双氧水含量的方法。纳米酶可以促进双氧水的产生同时能抑制双氧水分解，来提高肿瘤细胞内的双氧水含量，可以用于增强CDT对肿瘤细胞的杀伤作用。实验证明了纳米酶复合体在癌细胞内可以促进双氧水的合成同时抑制双氧水被谷胱甘肽消耗和被过氧化氢酶的分解，有效的提高肿瘤细胞内双氧水的水平，并通过芬顿反应将双氧水转化成对肿瘤细胞有杀伤能力的羟基自由基。该方法的开发为其它激活方式提高CDT治疗能力提供了一个新的思路。^[7] 相关研究以“Bioinspired Construction of a Nanozyme-Based H₂O₂ Homeostasis Disruptor for Intensive Chemodynamic Therapy”为题，发表在J. Am. Chem. Soc.。

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

图七：纳米酶复合体合成及化学动力疗法示意图

8. Adv. Funct. Mater.纳米酶水凝胶增强捕获和消灭细菌的能力

滥用抗生素引起的广泛的多药耐药性促使研究人员探索治疗细菌感染的新方法。纳米酶可以模拟天然酶的功能，以诱导产生高毒性的活性氧（ROS）作为抗菌剂。但是，纳米酶和细菌之间缺乏有效的相互作用，并且内在活性氧的固有寿命短和扩散距离极大地减弱了它们的杀菌活性。中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚教授课题组开发了带正电荷且多孔的MoS₂纳米酶-水凝胶以实现增强的抗菌剂。具有正电荷和大孔特性的纳米酶-水凝胶可以捕获和限制ROS破坏范围内的细菌。通过结合MoS₂纳米酶的近红外光热性质，纳米酶-水凝胶可以实现协同的杀菌作用，并消除细菌并降低发炎的风险，皮肤伤口的愈合速度将加快。通过MoS₂纳米酶-水凝胶优良特性提高纳米酶抗菌性能，同时促进伤口愈合的原始策略。纳米酶和水凝胶的结合减少了MoS₂纳米酶对组织的损伤，为有效消除细菌和更好的生物安全性提供了更好的选择，并且可以为纳米酶的广泛抗菌研究提供新见解。^[8] 相关研究以“Construction of Nanozyme-Hydrogel for Enhanced Capture and Elimination of Bacteria”为题，发表在Adv. Funct. Mater.。

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

图八：制备MoS₂纳米酶-水凝胶及其用于清除细菌和伤口感染的治疗示意图

魏辉（南京大学）

9. Small纳米酶用于清除香烟烟雾中的ROS

全球烟草仍然是对公共卫生的毁灭性威胁。香烟烟雾中的有毒活性氧（ROS）无法通过当前可用的香烟过滤嘴有效地消除，产生的氧化应激会导致严重的肺损伤和其他疾病。南京大学魏辉教授课题组提出了使用新型铜鞣酸配位（CuTA）纳米酶作为高活性和热稳定的ROS清除剂。CuTA纳米酶表现出超氧化物歧化酶样活性，过氧化氢酶样活性和羟基自由基消除能力。这些协同的抗氧化能力使CuTA纳米酶成为改善商用香烟过滤嘴有潜力的应用领域。载有CuTA纳米酶的商用卷烟可有效清除卷烟烟气中的ROS，减少氧化应激引起的肺部炎症，并最大程度减少急性肺损伤。CuTA纳米酶提供了具有多种抗氧化能力的有效ROS清除剂，为修饰香烟过滤嘴以减少香烟烟雾的毒性开创了新的机遇。^[9] 相关研究以“Copper Tannic Acid Coordination Nanosheet: A Potent Nanozyme for Scavenging ROS from Cigarette Smoke”为题，发表在Small.

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

图九：CuTA纳米酶应用于香烟过滤嘴ROS清除的设计和合成示意图

10. Anal. Chem.纳米酶用于总抗氧化能力的测定

由于在氮掺杂的碳纳米酶中的重构电子结构对于催化过程是有利的，因此氮掺杂策略以增强碳纳米酶的活性。然而，由于氮元素在高煅烧温度下的不稳定性，仍然难以获得具有高氮含量的碳纳米酶。南京大学魏辉教授课题组提出了一种新的氮掺杂策略，以高含氮聚合物（聚乙烯亚胺（PEI））为氮源和天然粘土矿物（蒙脱土（MMT））作为模板，以制备高活性的过氧化物酶样碳纳米酶。带有PEI的MMT的组装可在高煅烧温度下保护氮元素的损失，从而保留更多的催化活性氮位点。羟基自由基是过氧化物酶样催化作用的关键中间体，通过使用具有高活性和特定的碳纳米酶来检测H₂O₂、葡萄糖和抗坏血酸，并检测了四种商业饮料中的总抗氧化能力。该研究不仅提供了一种制备过氧化物酶样纳米酶的新策略，而且还开发了一种简便的总抗氧化能力测定法，可用于将来评估医疗保健中的抗氧化剂食品质量和氧化应激。^[10] 相关研究以“N‑Doped Carbon As Peroxidase-Like Nanozymes for Total Antioxidant Capacity Assay”为题，发表在Anal. Chem.。

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

图十：碳纳米酶的制备及其总抗氧化能力测定

11. Anal. Chem.荧光纳米酶比率生物传感

当前大多数纳米酶生物传感系统均基于单信号输出，这种检测系统很容易受到环境和个人因素的影响，但是具有比例信号输出的纳米酶传感系统将提供更可靠，更强大的传感性能。南京大学魏辉教授课题组制备了三种具有过氧化物酶样活性的g-C₃N₄的荧光纳米酶，并基于g-C₃N₄-Ru纳米酶构建了一种用于过氧化氢及其相关代谢产物的比例荧光传感器。荧光纳米酶在385 nm激发时发出438 nm的荧光，在H₂O₂和纳米酶的存在下邻苯二胺被催化氧化为oxOPD，其中oxOPD不仅可以发出564 nm处的荧光，还可以猝灭该纳米酶上438 nm处的荧光。利用在564 nm和438 nm处的荧光强度之比作为信号输出，以构建比例式生物传感系统用于检测磷酸盐和过氧化氢及其相关代谢产物。这项研究提出了一种构建比例纳米酶生物传感系统的新方法。^[11] 相关研究以“Fluorescent Graphitic Carbon Nitride-Based Nanozymes with Peroxidase-Like Activities for Ratiometric Biosensing”为题，发表在Anal. Chem.。

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

图十一：g-C₃N₄荧光纳米酶比例生物传感示意图

12. Nature Communications e_g占有率作为钙钛矿纳米酶催化活性的有效评估

过氧化物酶用于催化过氧化物底物的氧化。但是缺乏预测性的描述，过氧化物酶类和其他酶类纳米材料（称为纳米酶）的探索主要依靠反复试验的策略。南京大学魏辉教授课题组研究了e_g轨道的占有率作为过渡金属氧化物（包括钙钛矿氧化物）纳米酶过氧化物酶样活性的评估指标。由于氧在这些仿生催化反应中起着核心作用，e_g轨道占有率可能控制钙钛矿型过渡金属氧化物的过氧化物酶样活性。利用具有BO₆八面体亚基的ABO₃型钙钛矿型过渡金属氧化物作为模型系统研究其催化活性与e_g轨道占有率的关系，通过调节ABO₃组成来促进e_g轨道占有率调节。实验测试和密度泛函理论计算均揭示了e_g轨道的占有率与纳米酶活性之间的火山关系，其中过氧化物酶样活性最高，对应于e_g轨道约1.2的占有率。该研究提供了对纳米酶过氧化物酶样活性催化机制的深入了解以及纳米酶的适应性结构和催化活性的关系，给进一步探索e_g轨道的占有率来预测其他金属氧化物的酶样活性提供了新的见解。^[12] 相关研究以“e_g occupancy as an effective descriptor for the catalytic activity of perovskite oxide-based peroxidase mimics”为题，发表在Nature Communications。

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

图十二：钙钛矿型过渡金属氧化物过氧化物酶活性研究示意图

参考文献

1. Zhao S., Duan H., Yang Y., et al. Fenozyme Protects the Integrity of the Blood-Brain Barrier againstExperimental Cerebral Malaria. [J] Nano Lett. 2019, 19, 8887-8895.

2. Xu B., Wang H., Wang W., et al. Single-Atom Nanozyme for Wound Antibacterial Applications. [J] Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 4911-4916.

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.

4. Liu X., Yan Z., Zhang Y., et al. Two-Dimensional Metal-Organic Framework/Enzyme Hybrid Nanocatalyst as a Benign andSelf-Activated Cascade Reagent for in VivoWound Healing. [J] ACS Nano 2019, 13, 5222-5230.

5. LiuZ., WangF., Ren J., et al. A series of MOF/Ce-based nanozymes with dual enzyme-like activity disrupting biofilms and hindering recolonization of bacteria. [J] Biomaterials 2019, 208, 21-31. 

6. Cao F., Zhang L., Wang H., et al. Defect-Rich Adhesive Nanozymes as Efficient Antibiotics forEnhanced Bacterial Inhibition. [J]Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16236-16242.

7. SangY.,Cao F., Li W., et al. Bioinspired Construction of a Nanozyme-Based H₂O₂ Homeostasis Disruptor for Intensive Chemodynamic Therapy. [J] J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.9b12873.

8. Sang Y., Li W., Liu H.,et al. Construction of Nanozyme-Hydrogel for Enhanced Captureand Elimination of Bacteria. [J] Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900518.

9. Lin S., Cheng Y., Zhang H., et al.Copper Tannic Acid Coordination Nanosheet: A PotentNanozyme for Scavenging ROS from Cigarette Smoke. [J] Small 2019, 1902123.

10. Lou Z., Zhao S., Wang Q.,et al. N‑Doped Carbon As Peroxidase-Like Nanozymes for TotalAntioxidant Capacity Assay. [J] Anal. Chem. 2019, 91, 15267-15274.

11. Wang X., Qin L., Lin M., et al. Fluorescent Graphitic Carbon Nitride-Based Nanozymeswith Peroxidase-like Activities for Ratiometric Biosensing. [J] Anal. Chem. 2019, 91, 10648-10656.

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.

本文由喜欢长颈鹿的高供稿。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP。