打破有机与无机界限之纳米酶 | 阎锡蕴院士、陈小元、凌代舜、林君、曲晓刚、刘惠玉、钱志勇等人最新进展！
NanoLabs
2020-10-12
自2007年首次报道Fe3O4模拟HRP酶活性的纳米酶以来，纳米酶引起广泛的关注，因为其既具有天然酶的高催化活性特点，又有模拟酶的稳定和经济的优势，它在医学、化工、食品、农业和环境等领域得到广泛应用。纳米酶的问世，改变了以往人们认为无机纳米材料是一种生物惰性物质的传统观念，揭示了纳米材料内在的生物效应及新特性，丰富了模拟酶的研究，使其从有机复合物拓展到无机纳米材料，打破了传统意义上的“无机”与“有机”的界限，拓展了纳米材料的应用范围。鉴于此，奇物论编辑部整理了近期关于纳米酶的医疗应用方向的研究，供大家学习和交流！
1. Nano. Today：无金属纳米酶激活的前药用于靶向肿瘤的催化治疗酶介导的肿瘤细胞前药激活是肿瘤靶向治疗的一种有吸引力的策略。值得注意的是，天然过氧化物酶和吲哚-3-乙酸(IAA)已被证明是一种很有前途的酶-前药组合。然而，内源性过氧化物酶活性不足，外源性过氧化物酶在肿瘤细胞中难以选择性表达，严重限制了其抗肿瘤效果。具有类似过氧化物酶活性的纳米材料(纳米酶)的发现，特别是具有高度稳定性和良好生物相容性的无金属纳米酶的发现，为克服这些挑战带来了新的机遇。有鉴于此，中国科学院生物物理研究所的范克龙、高利增和阎锡蕴院士等研究人员，在理论计算的指导下，开发了一种无金属磷氮双掺杂的多孔空心碳球纳米酶(PNCNzyme)，在酸性环境下具有较强的类过氧化物酶活性。1）基于这种不含金属的纳米酶，研究人员开发了一种纳米酶-IAA激活策略，激活IAA产生丰富的ROS并触发肿瘤细胞凋亡。2）研究人员还将叶酸(FA)引入到纳米酶中，以增强其肿瘤靶向性和肿瘤细胞的吞噬效能。3）给药后，FA-PNCNzymes@IAA有效地积聚在宫颈癌细胞来源的移植瘤中，催化ROS的产生，并诱导细胞凋亡。综上所述，这些数据表明，纳米酶-IAA组合是一种有效的肿瘤靶向催化治疗的酶-前体药物激活策略。Qian Liang, et al. A metal-free nanozyme-activated prodrug strategy for targeted tumor catalytic therapy. Nano Today, 2020.DOI：10.1016/j.nantod.2020.100935https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S17480132203010432. Nano Today：氧化铈纳米酶对药物性肝损伤的双重解毒和炎症调节作用药物性肝损伤(DILI)是许多国家急性肝功能衰竭的主要原因，它与活性氧(ROS)和炎症密切相关。虽然N-乙酰半胱氨酸(NAC)是目前治疗DILI的首选解毒剂，但由于其治疗时间窗窄，往往无法使晚期患者受益。在此，浙江大学凌代舜、翁勤洁等人报道了氧化铈纳米酶(CeNZs)，它可以同时清除活性氧并产生氧气，用于治疗对乙酰氨基酚诱导的肝损伤(DILI的典型形式)，与NAC相比，能够延长治疗时间窗口。1）结果表明，CeNZs能有效清除受损肝细胞中的ROS，达到解毒的目的。2）更重要的是，CeNZs可以基于其类过氧化氢酶(CAT)活性产生丰富的氧气，从而进一步缓解缺氧，并特异性地抑制促炎巨噬细胞，以减轻炎症，从而促进DILI的肝细胞再生，这对于治疗已经出现大量肝细胞坏死的晚期DILI至关重要。综上所述，与NAC相比，CeNZs对DILI治疗具有较长的治疗时间窗，具有双重解毒和炎症调节作用，同时文中进一步揭示了其作用机制，表明CeNZs在治疗DILI，特别是晚期DILI方面具有广阔的临床应用前景。Fangyuan Li, et al. Dual detoxification and inflammatory regulation by ceria nanozymes for drug-induced liver injury therapy. Nano Today, 2020.https://doi.org/10.1016/j.nantod.2020.1009253. Adv. Mater：消耗GSH、可被热增强的双酶活性纳米酶用于肿瘤催化治疗纳米催化治疗是一种新型的用于治疗各种恶性肿瘤的策略。然而，纳米酶在肿瘤微环境(TME)中的催化活性往往相对不佳，这也限制了其在生物医学领域中的应用。哈尔滨工程大学杨飘萍教授和贺飞副教授、中科院长春应化所林君研究员用树枝状介孔二氧化硅(Bi2S3@DMSN)包覆均匀的Bi2S3纳米棒(NRs)，然后将超小的二氧化铈纳米酶修饰到Bi2S3@DMSN的孔中，从而开发出一种多功能、类细菌的PEG/Ce-Bi@DMSN纳米酶。（1）在酸性条件下，该纳米酶具有双重酶催化活性(过氧化物酶和过氧化氢酶)，可以调节TME以同时提高氧化应激和缓解乏氧。此外，该纳米酶可以通过氧化还原反应有效地消耗过表达的谷胱甘肽(GSH)。同时，实验也引入了光热治疗(PTT)以协同改善该纳米酶的催化活性。（2）PEG/Ce-Bi@DMSN纳米酶在近红外II区(NIR-II)窗口具有很好的吸光度，光热也可以显著增强由活性氧(ROS)介导的肿瘤治疗效果。因此，这一研究也为实现热增强酶活性以用于肿瘤治疗提供了新的思路。Shuming Dong. et al. GSH-Depleted Nanozymes with Hyperthermia-Enhanced Dual Enzyme-Mimic Activities for Tumor Nanocatalytic Therapy. Advanced Materials. 2020DOI: 10.1002/adma.202002439https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.2020024394. AM：免疫调节增强的基于纳米酶的肿瘤催化治疗近年来，基于纳米酶的肿瘤催化疗法引起了广泛的关注。但是，其治疗效果由于肿瘤微环境（TME）中的许多因素而减弱，例如内源性过氧化氢（H2O2）浓度不足、缺氧和免疫抑制性微环境。有鉴于此，北京化工大学刘惠玉、中国科学院过程工程研究所魏炜等人首先提出了一种基于免疫调节的纳米酶增强型肿瘤催化疗法，以实现纳米酶与TME调控之间的协同作用。1）构造了TGF-β抑制剂（TI）的聚乙二醇化硅酸锰铁纳米颗粒（IMSN）（称为IMSN-PEG-TI）以触发治疗方式。2）结果表明，IMSN纳米酶在酸性TME下既具有内在过氧化物酶样和过氧化氢酶样活性，又可以将H2O2分解为羟基（•OH）和氧（O2）。3）此外，还证明IMSN和TI均可调节肿瘤免疫微环境，导致巨噬细胞从M2极化到M1，从而诱导H2O2再生，从而促进IMSN纳米酶的催化活性。4）体外多细胞肿瘤球体（MCTS）和体内CT26荷瘤小鼠模型证明了IMSN-PEG-TI的有效抗肿瘤作用。基于免疫调节增强的纳米酶肿瘤治疗策略被认为是一种很有前途的杀灭肿瘤细胞的工具。Bolong Xu, et al. Immunomodulation‐Enhanced Nanozyme‐Based Tumor Catalytic Therapy. Advanced Materials, 2020.DOI：10.1002/adma.202003563https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.2020035635. Angew：Fe3+驱动的过类氧化氢酶超分子光敏纳米酶的组装用于缺氧肿瘤治疗光动力疗法（PDT）已成为一系列浅表性和局限性癌症的常用治疗方式。然而，为了促进其临床转化，仍有一些障碍需要解决。在此，香港城市大学Pui-Chi Lo等人开发了一种简便的组装具有自供氧能力的类过氧化氢酶光敏性纳米酶的方法。1）此过程涉及Fe3+驱动的芴甲氧羰基(Fmoc)保护氨基酸的自组装。在Fe3+促进Fmoc保护的半胱氨酸(Fmoc-Cys)自组装过程中加入锌（Ⅱ）酞菁光敏剂(ZnPc)和缺氧诱导因子-1(HIF-1)抑制剂吖啶黄(ACF)，制备了可在细胞内分解的Fmoc-Cys/Fe@Pc和Fmoc-Cys/Fe@Pc/ACF纳米微囊。2）释放的Fe3+能有效地催化癌细胞中富集的H2O2转化为氧气，从而改善缺氧条件，提高释放的ZnPc的光敏活性。3）添加治疗组分后，Fmoc-Cys/Fe@Pc/ACF的体内和体外光动力活性均高于Fmoc-Cys/Fe@Pc，证明了ZnPc与ACF的协同作用。Pui-Chi Lo, et al. Fe3+‐Driven Assembly of Catalase‐Like Supramolecular Photosensitizing Nanozymes for Combating Hypoxic Tumor. Angew. Chem. Int. Ed., 2020.DOI: 10.1002/anie.202010005https://doi.org/10.1002/anie.2020100056. Advanced Science：带有ROS响应性前药和铂纳米酶的聚合物纳米颗粒可增强结肠癌的化学光动力治疗化学疗法和光动力疗法（PDT）的结合在癌症的协同治疗中具有广阔的前景。然而，化学疗法和光动力协同疗法受制于不受控制的化学疗法释放行为，靶向缺陷以及与缺氧相关的实体瘤中PDT疗效差的问题。有鉴于此，四川大学华西医院的钱志勇等研究人员，为了克服这些局限性，研究人员创建了负载有铂纳米酶（PtNP）的活性氧（ROS）响应型前药纳米颗粒（CPT-TK-HPPH / Pt NP）。1）ROS响应性前药由与喜树碱（CPT）和光敏剂-2-（1-己氧基氧基乙基）-2-癸二烯基焦脱镁叶绿酸（HPPH）连接的硫缩酮键组成。2）CPT-TK-HPPH / Pt NP中的PtNP可以有效催化过氧化氢（H2O2）分解为氧气，以缓解缺氧。氧气的产生可以满足660 nm激光照射下HPPH的消耗，从而实现CPT的按需释放并确保增强的光动力疗法。3）作为肿瘤诊断剂，CPT-TK-HPPH / Pt NP的光声成像和荧光成像结果显示出理想的长循环性和增强的体内靶向性。4）CPT‐TK‐HPPH / Pt NP在体内外均能有效抑制肿瘤的增殖和生长。CPT-TK-HPPH / Pt NP具有出色的ROS响应药物释放行为和增强的PDT效率，可以作为一种新型的癌症治疗剂，并将进一步促进化学光动力协同治疗癌症的研究。Ying Hao, et al. Polymeric Nanoparticles with ROS‐Responsive Prodrug and Platinum Nanozyme for Enhanced Chemophotodynamic Therapy of Colon Cancer. Advanced Science, 2020.DOI：10.1002/advs.202001853https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.2020018537. Biomaterials：可被激活的超小纳米酶发生器用于增强穿透和深层催化治疗设计开发可在肿瘤微环境中被激活的超小纳米酶能够有效克服传统活性氧基纳米试剂的肿瘤穿透深度，外部能量的组织穿透深度有限、对氧气严重依赖以及非特异性毒性等缺陷。中科院长春应化所曲晓刚研究员将葡萄糖氧化酶(GOx)和超小的过氧化物纳米酶嵌入酸解性的 ZIF-8中，构建了一种具有级联反应能力的纳米系统，并将这种具有增强的肿瘤穿透深度的超小纳米酶发生器用于深度催化治疗。（1）在肿瘤的偏酸性微环境中，瘤内的葡萄糖所产生的葡萄糖酸可逐渐诱导ZIF-8解离，进而释放超小的过氧化物酶纳米酶，实现显著的瘤内穿透效果。另一方面，生成的寿命相对较长的过氧化氢可在随后被过氧化物纳米酶催化生成高毒性的羟基自由基，从而实现深度催化治疗。（2）研究结果表明，该纳米平台不仅可以极大地增强纳米酶在肿瘤中的穿透能力，而且可以在不需要氧气参与和外部能量输入的情况下直接诱导产生ROS，从而彻底避免了传统ROS基纳米试剂在极度乏氧环境下的失活情况，最终实现了优异的深度催化治疗效果。Xinping Liu. et al. Tumor-activatable ultrasmall nanozyme generator for enhanced penetration and deep catalytic therapy. Biomaterials. 2020https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S01429612203050938. Nature Commun：超小铜基纳米颗粒用于清除活性氧和治疗炎症相关疾病氧化应激与许多种急性和慢性炎症疾病有关，目前临床上的治疗方法也很有限。开发具有良好活性氧清除能力和生物相容性的模拟酶纳米材料是治疗活性氧相关炎症的一条有效途径。第三军医大学罗高兴教授和邓君教授、浙江大学毛峥伟教授和美国NIH陈小元研究员通过简单的一步法制备了超小Cu5.4O纳米颗粒(Cu5.4O USNPs)，它具有多重模拟酶活性和广谱清除ROS的能力，可用于对ROS相关疾病进行高效治疗。（1）Cu5.4O USNPs具有过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶等酶活性，在极低剂量下对ROS介导的细胞损伤具有很好的保护作用，可显著改善对急性肾损伤、急性肝损伤和伤口愈合的治疗效果。（2）同时，具有超小尺寸的Cu5.4O USNPs可以通过肾脏被快速清除，因此它也有着很好的生物相容性。综上所述，这一研究工作开发的Cu5.4O USNPs也为治疗ROS相关疾病和下一代纳米酶的开发提供了新的参考和策略。Tengfei Liu. et al. Ultrasmall copper-based nanoparticles for reactive oxygen species scavenging and alleviation of inflammation related diseases. Nature Communications. 2020https://www.nature.com/articles/s41467-020-16544-79. Small：具有精细酶特异性和高效性，用于多种生物膜清除的工程无机纳米耀斑纳米酶作为一种多功能的纳米催化剂，其催化效率和特异性限制了其在生物医学领域的应用。在此，武汉大学王富安等人通过将识别/转导碳点(CDs)与铂纳米颗粒(PtNPs)有机结合在一起，构建了一种精致的Cds@PtNPs(CPP)纳米耀斑，作为一种高效的底物特异性过氧化物酶模拟纳米酶应用于高性能生物传感和抗菌领域。1）智能CPP催化的过氧化氢(H2O2)产生的活性氧实现了灵敏诊断引导下的病原体增强消毒。2）值得注意的是，CPP纳米酶通过酸性感染组织中的内源性H2O2在体内表现出显著的生物膜清除和伤口愈合，基本上可以消除恼人的抗生素耐药性。综上所述，对目前CPP纳米耀斑的基本认识不仅有助于各种潜在生物催化剂的发展，而且为多功能的生物传感和智能诊断应用奠定基础。Meijuan Liang, et al. Engineering Inorganic Nanoflares with Elaborate Enzymatic Specificity and Efficiency for Versatile Biofilm Eradication. Small, 2020.DOI: 10.1002/smll.202002348https://doi.org/10.1002/smll.20200234810. Theranostics：纳米酶辅助的外泌体蛋白分析策略用于对癌症进行快速诊断外泌体上表达的蛋白已成为一种可用于癌症诊断的液体活检生物标志物。然而，如何对外泌体蛋白的分子谱进行分析仍然是一个具有很大挑战性的难题。南开大学高红梅教授、刘定斌教授和中南大学荣鹏飞报告了一种纳米酶辅助免疫吸附实验 (NAISA)，并将其用于对外泌体蛋白进行灵敏、快速的多重分析。（1）实验将类过氧化物纳米酶修饰到外泌体的磷脂膜上从而构建了该NAISA系统。外泌体蛋白可由纳米酶通过催化比色法进行测定，测定时间小于3小时，且不需要多步孵育和洗涤操作。通过利用NAISA分析不同细胞系和临床样本的外泌体蛋白，实验发现肿瘤相关的外泌体蛋白可以作为一种生物标记物，以对癌症进行准确诊断。（2）实验随后利用外泌体蛋白CD63、CEA、GPC-3、PD-L1和HER2的表达水平对不同的癌细胞系进行了分类。此外，该蛋白谱已可用于鉴别健康人群、乙型肝炎患者和肝细胞癌(HCC)患者。由此证明NAISA纳米酶可以快速分析多种外泌体蛋白，因此其在早期HCC和其他类型癌症的诊断领域中有着很好的应用前景。Huixia Di. et al. Nanozyme-assisted sensitive profiling of exosomal proteins for rapid cancer diagnosis. Theranostics. 2020https://www.thno.org/v10p9303.htm
