纳米酶在生物医学领域的应用

周丝雨,梁黛雯,朱晓芳

(1.中南大学湘雅二医院,湖南 长沙,410011;2.扬州大学临床医学院 皮肤科,江苏 扬州,225001)

纳米酶为具有酶活性的纳米材料，其与天然酶在总尺寸、形状和表面电荷等方面具有某些相似性，因此纳米材料能够模拟天然酶[1]。自然界绝大多数天然酶为蛋白质，遇到高温、强酸、强碱等环境易失活并失去催化活性，且天然酶提取难度大，费用高。与天然酶相比，纳米酶可规模化制备，具有成本低、合成容易、可回收利用、储存时间长、对恶劣环境的耐受性强且更加稳定等特点，能适应较大范围的pH值和温度变化，例如Fe3O4纳米酶在pH值为10或温度在80 ℃的条件下，仍然保持80%的催化活性[2]。

随着纳米酶研究的深入，迄今为止世界上已有200多个研究实验室在积极研究纳米酶[3]。而纳米酶在生物医学领域的应用仍然非常局限，作者综述了纳米酶在医学领域的研究，有助于更好地挖掘纳米酶的应用前景。

1 纳米酶活性调节

1.1 纳米酶的尺寸效应及形貌效应

纳米酶存在尺寸效应，即较小尺寸的纳米酶会因较高的表面体积比而暴露出更多的催化活性位点，从而具有更高的活性。大量研究表明，纳米酶颗粒质量相同时，较小尺寸的纳米酶具有更好的催化活性。例如，纳米金颗粒(AuNPs)的氧化酶催化活性随颗粒直径减小而增强，当纳米金颗粒尺寸减小到2～5 nm时，其氧化酶活性最佳且最稳定[4-5]。因此，利用纳米酶的尺寸效应可以通过控制纳米酶的颗粒直径来调节纳米酶的催化活性。

纳米酶的形貌效应，即不同形态纳米酶的催化活性不同，例如,Mugesh等[6]比较了不同形状的Mn3O4纳米酶(如菜花状、薄片状、立方体、多面体和六角形板)的过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)和超氧化物歧化酶(SOD)活性，发现菜花状Mn3O4纳米酶对这3种反应都有最高的催化活性，而其他形态的Mn3O4纳米酶只表现出类似SOD的活性，因此，后续研究中选择菜花状Mn3O4纳米酶作为进一步的神经保护材料。

1.2 纳米酶的材料复合化及表面修饰

对于纳米酶而言，一种调节活性的经济有效的方法是将2种或多种纳米材料复合来提高纳米酶活性。最常用的方法是，用另一种催化活性较高的纳米材料，如铂(Pt)和铱(Ir),复合催化活性较低的纳米材料，如金(Au)和银(Ag),这不仅可以提高酶的活性，而且可以有效地利用并保留这些贵金属的特性。例如，将Ir引入铅(Pb)纳米粒子的表层，形成的钯铱双金属(Pb-Ir)纳米粒子催化效率比裸Pb纳米粒子或辣根过氧化物酶(HRP)提高20～400倍[7]。复合纳米酶表面电子转移能力更强，活性位点更多，与单裸纳米颗粒相比有更好的催化性能[8]。

纳米酶表面经过修饰，能够改变其对底物的亲和力，从而影响其催化效率。我们可以通过调节纳米酶表面电荷或酸碱度、阻断表面通路、共价修饰、物理吸附等方式，提高纳米酶的活性及选择性[9]。受天然过氧化物酶结构的启发，高利增等[10-11]将Fe3O4纳米酶表面修饰组氨酸，模拟天然酶催化反应的活性部位，与未加修饰的Fe3O4纳米酶相比，由于组氨酸侧链咪唑基团与过氧化氢(H2O2)之间形成氢键，这种修饰使其对H2O2的亲和力提高了至少10倍。因此，经组氨酸修饰的Fe3O4纳米酶的过氧化物酶催化效率提高20倍以上。

2 纳米酶在生物医学领域的应用

2.1 纳米酶的抗氧化应激作用

纳米酶如纳米氧化铈、纳米富勒烯、五氧化二钒(V2O5)纳米线、维生素B2修饰的纳米铁[12-15]等均被用作有效的抗氧化剂，通过产生高过氧化氢酶样、SOD或谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)样拟酶活性，来下调氧化应激反应和减轻炎性损伤，如羧基化富勒烯具有SOD拟酶活性对家族性肌萎缩侧索硬化症(ALS)有治疗作用。ALS是一种神经退行性疾病，与多种基因突变有关，如SOD1基因突变。用携带人类疾病家族性ALS基因的转基因小鼠接受羧基化富勒烯治疗，可以观察到症状发作延迟10 d。羧基化富勒烯还能够治疗非人灵长类动物帕金森病。研究者用羧基化富勒烯对帕金森病的猕猴模型进行了为期2个月的系统治疗，结果表明，羧基化富勒烯可以显著减轻纹状体损伤和改善运动功能。实验期间，羧基化富勒烯未显示任何毒性[12]。

Mugesh等[13]发现,V2O5纳米线具有GPX样拟酶活性，在谷胱甘肽(GSH)存在的条件下，可催化H2O2转化为H2O。因此,V2O5纳米线能清除过氧化氢(H2O2)而发挥保护作用。V2O5纳米线不仅可以消除外来的H2O2,还可以清除由CuSO4诱导产生的细胞内过氧化物，进一步证明V2O5纳米线可作为细胞保护的有效抗氧化剂。综上所述，纳米酶在神经保护、抗氧化、抗老化等方面具有潜在应用价值。

2.2 纳米酶的抗菌作用

活性氧(ROS)是一种含氧的高活性化学物质，具有不成对的电子，包括超氧阴离子(O2-)、羟自由基(HO-)、H2O2、过氧亚硝酸盐和脂质自由基[16]。ROS能造成微生物DNA、蛋白质等化学物质损伤，最终导致细胞死亡。目前发现的纳米酶主要介导氧化还原反应，大部分纳米酶可分为4类:氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶及SOD。因此，纳米酶可调节ROS水平，用于开发新型的抗菌药物。例如，在介孔二氧化硅上负载纳米金颗粒形成的复合材料MSN-AuNPs,具有氧化酶和过氧化酶活性，且在较大的pH值波动范围内仍可保持催化活性，从而在生理条件下杀灭细菌。MSN-AuNPs可产生过量的ROS,从而产生强力的抗菌性能。对革兰阳性金黄色葡萄球菌和革兰阴性大肠杆菌的增殖均有明显的抑制作用[17]。目前，细菌耐药已经成为世界性难题，而纳米酶可以开发为新型的抗菌剂，为解决这一难题提供新的思路。

2.3 纳米酶的生物检测作用

核酸(如DNA和RNA)检测在人类遗传学、临床诊断、细胞学等领域发挥着重要的作用。因此，随着纳米酶领域的巨大成就，科学家们研究了多种具有纳米酶的核酸检测方法(大多数用于DNA检测)。Wang Q等[18]将铁卟啉和链霉亲和素负载到石墨烯上形成配合物，具有过氧化物酶模拟活性，用于生物素化分子信标的特异性识别。在目标DNA存在下，可以打开固定化前的发夹结构，然后通过链霉亲和素与生物素的相互作用结合成链霉亲和素功能化的纳米酶。然后，在H2O2的存在下，纳米酶可以催化邻苯二胺氧化为氧化邻苯二胺，进而产生电化学信号以定量DNA。蛋白质检测是一种广泛使用的免疫分析技术，利用抗体和抗原之间的特异性识别。用Fe3O4纳米酶模拟过氧化物酶，制备了用于诊断埃博拉病毒感染的纳米酶条带。与标准胶体金条带相比，纳米酶条带可以在过氧化氢存在的条件下，通过催化过氧化物酶底物的氧化来放大信号，大大提高了检测灵敏度，检测最低限值可低至1ng/mL[19]。双抗体夹心法(ELISA)是目前应用最广泛的免疫检测方法，过氧化物酶是其重要的工具酶，然而天然酶易失活，而纳米酶不仅有天然酶的催化活性，同时性质稳定，且纳米材料可以有效富集抗原提高检测灵敏度[8]。未来有望使用纳米酶来实现更加廉价且快速的免疫学检测。

2.4 纳米酶用于癌症治疗

活性氧(ROS)可以对癌细胞造成伤害。根据ROS产生的不同途径和机制，癌症治疗的纳米酶可大致分为2类:纳米酶作为过氧化物酶或氧化酶模拟物，在催化过程中产生ROS,原理与前面所述的抗菌活性相似;在光敏剂和过氧化氢酶模拟酶存在的条件下，光照射下产生ROS,其中纳米酶的关键作用是产生O2以提高光动力疗法的功效[3]。

氮掺杂的多孔碳纳米球(N-PCNs)具有4种酶活性，包括氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶，可以调节体内活性氧。用铁蛋白进一步修饰N-PCNs有助于溶酶体的靶向识别。然后，溶酶体的酸性环境促进了N-PCNs进行过氧化物酶和氧化酶模拟活性以产生ROS并消耗氧气，从而导致肿瘤细胞的毒性效应和缺氧。动物实验[20]结果表明,N-PCNs能有效缩小肿瘤体积，提高肿瘤小鼠的存活率。

在光动力治疗过程中,O2被光敏剂转化为ROS。然而，癌细胞的缺氧微环境限制了治疗效果，而纳米酶的过氧化氢酶样活性解决了这一问题。纳米酶可以将H2O2分解为O2和H2O。介孔二氧化硅上负载MnFe2O4纳米颗粒(MFMSN),可以提高光动力疗法的效率。MFMSN和ROS在激光照射下连续产生O2,减轻了癌细胞缺氧微环境，提高了治疗效果[21]。

3 展 望

纳米酶作为一种新型模拟酶，能够用于多种疾病(如生物滤过膜感染、中风、心肌缺血、癌症、高尿酸血症和神经变性等)的治疗。未来应着眼于加强纳米酶的反应特异性和优化催化能力，研究纳米酶的清除、代谢、降解性、生物相容性及副作用等。平衡治疗有效性和安全性对纳米酶未来在临床上的应用至关重要。鉴于纳米催化技术的独特性，纳米酶的研究可为开发可持续、经济、安全的疾病治疗方法提供新思路。