近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院閻錫蘊院士課題組在Advanced Materials上發(fā)表了題為Employing Noble Metal–Porphyrins to Engineer Robust and Highly Active Single-Atom Nanozymes for Targeted Catalytic Therapy in Nasopharyngeal Carcinoma的研究論文。該研究利用貴金屬-卟啉系統(tǒng)合成了高活性和穩(wěn)定的單原子納米酶。通過錨定在卟啉中心的金屬–N原子配位，成功合成了四種貴金屬-卟啉（MxP，x代表Pt、Pd、Ru、Ir），以模擬天然過氧化物酶的活性位點。并且設(shè)計了一種針對EB病毒相關(guān)的鼻咽癌的靶向單原子納米酶（MIrPHE）。這項研究不僅提出了增強單原子納米酶的催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性的創(chuàng)新策略，而且還強調(diào)了MIrP作為一種有效的納米藥物用于靶向催化腫瘤治療的巨大潛力。
納米酶是一類既有納米材料的獨特性能，又有催化功能的模擬酶。納米酶具有催化效率高、穩(wěn)定、經(jīng)濟和規(guī)?；苽涞奶攸c，它在醫(yī)學(xué)、化工、食品、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，納米酶通常具有較低密度的活性位點和不均勻的元素組成，導(dǎo)致其催化活性遠低于天然酶。單原子催化理念的提出促進了具有精確配位結(jié)構(gòu)的單原子納米酶（SANzymes）的發(fā)展。原子級分散既提高了金屬原子的利用效率，又增加了活性位點的數(shù)量。同時，明確的配位結(jié)構(gòu)為研究納米酶的催化機制提供了可靠模型。相比于催化活性，對SANzymes在催化反應(yīng)中的化學(xué)穩(wěn)定性的研究較少。特定酸堿溶液或氣體環(huán)境下會導(dǎo)致SANzymes的活性位點脫落和中毒。此外，單原子的金屬表面自由能較高，容易引起活性位點的聚集，進一步降低活性下降。因此，合成兼具高活性和化學(xué)穩(wěn)定性的SANzymes是其大規(guī)模應(yīng)用的必要條件。
在本文中，作者整合了貴金屬-卟啉系統(tǒng)和金屬有機框架（MOF）的優(yōu)勢，從頭合成了4種貴金屬-卟啉MOF SANzymes（MxP，x代表Pt、Pd、Ru、Ir），它們具有單原子分散和化學(xué)結(jié)構(gòu)堅固的特征。通過對其進行類過氧化物酶（POD）活性篩選和靶向修飾，實現(xiàn)了對EB病毒相關(guān)鼻咽癌的精準(zhǔn)靶向催化治療（圖1）。
研究首先對所制備的納米酶進行了系統(tǒng)性表征（圖2），透射電鏡及動態(tài)光散射等形貌分析揭示了MxP均呈近球形，粒徑約為150 nm。通過球差電鏡和元素表征分析，證明了所制備的MIrP和經(jīng)典的MFeP上的各元素分布均勻，特別是活性位點的金屬均呈單原子態(tài)，負載量依次為Fe（6.17 wt%）， Ir（5.45 wt%）， Ru（5.26 wt%），Pt（8.39 wt%）和Pd（7.66 wt%）。
隨后，研究人員對MxP的POD活性進行了評估（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)MIrP的催化活性遠高于其他的MxP和經(jīng)典的MFeP，其最適催化溫度和pH范圍均優(yōu)于天然辣根過氧化物酶（HRP）。相比于MFeP，MIrP能夠催化H2O2產(chǎn)生更高強度的自由基。重要的是，研究發(fā)現(xiàn)MIrP的比活力（Specific activity）為685.61 U mg？1，約為天然HRP酶（267.71 U mg？1）的2.6倍。據(jù)了解，MIrP是目前所有報道的SANzymes中POD活性最高的納米酶。
化學(xué)穩(wěn)定性一直是SANzymes研究領(lǐng)域內(nèi)不可忽略的問題。為了評估MIrP是否能克服這一缺陷，接下來研究人員對MIrP和MFeP進行了0-16周的常溫儲存，并檢測了材料在不同儲存時間的吸收特征和催化性能（圖4）。結(jié)果顯示不同儲存時間的MIrP在420 nm處均表現(xiàn)出穩(wěn)定的吸收峰。相比之下，MFeP的吸收峰在儲存8周后明顯下降，并在16周后衰減更加明顯。0 -1 mM的H2O2處理后，MIrP的紫外-可見吸收光譜和催化活性幾乎無變化。相反，隨著H2O2濃度的增加，MFeP的吸收峰和催化性能逐漸減弱。
最后，研究人員系統(tǒng)性評估了MIrPHE的體內(nèi)抗腫瘤性能（圖5）。通過在MIrP表面修飾EB病毒編碼的LMP1的天然配體 (？)-Epigallocatechin-3-Gallate，成功構(gòu)建出能夠靶向EB病毒相關(guān)鼻咽癌的納米酶（MIrPHE）。實驗結(jié)果顯示MIrPHE能夠精確定位到腫瘤部位，基于超高的POD活性實現(xiàn)了出色的抗腫瘤作用。此外，MIrPHE還表現(xiàn)出高度的組織相容性和生物安全性。
綜上，本研究制備了多種貴金屬-卟啉，以產(chǎn)生高活性和穩(wěn)定的SANzymes，將開發(fā)的貴金屬-卟啉進一步整合到穩(wěn)定且生物安全的Zr-MOF中，為設(shè)計和合成高性能、穩(wěn)定的SANzymes作為天然酶的替代品提供了寶貴的見解，并且所篩選的MIrP顯示出突出的抗腫瘤作用。
本文的共同第一作者為中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院閻錫蘊課題組助理研究員王大吉、王杰，江西師范大學(xué)副教授高雪嬌和深圳市第二人民醫(yī)院副研究員丁輝，通訊作者為深圳先進院客座研究員閻錫蘊，課題組助理研究員王大吉，助理研究員王杰，深圳市第二人民醫(yī)院教授聶國輝，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員范克龍作為共同通訊作者。深圳先進院為該論文第一單位。該工作受到國家自然科學(xué)基金，國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項目的支持。
圖1 | MxP的合成和靶向修飾策略（a）及其在EB病毒相關(guān)鼻咽癌的靶向催化治療中的應(yīng)用（b）
圖2 | MxP的形貌和元素表征
圖3 | MxP的POD活性表征
圖4 | MIrP的化學(xué)穩(wěn)定性測試
圖5 | 體內(nèi)實驗評估MIrPHE的腫瘤靶向催化治療效果
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