基于杂原子掺杂介孔碳球纳米酶的抗肿瘤药物构建

＊顾文贤

（温州大学化学与材料工程学院 浙江 325035）

自铁磁性纳米粒子第一次被证明为过氧化物酶模拟在2007年被报道以来，各种纳米材料已经被鉴定具有类似酶的内在特性[1]。这些物质能催化酶反应遵循相似的酶动力学和机制生理条件下的天然酶。因此,人们创造了“纳米酶”这个术语来描述这种特性新兴一代的模拟酶或人工酶。纳米酶具有高的酶活性，可通过调节尺寸控制、掺杂和表面改性。此外,这些人工酶功能齐全，稳定性高，易于放大，成本较低。这些优点使它们优于天然的实际应用中的酶或传统的酶模拟。在过去的十年中，纳米酶已广泛应用于生物医疗，包括免疫分析、生物传感器、抗菌膜剂[2]。目前,正在努力探索将纳米酶应用于活体临床诊断和治疗在体内的应用是如何控制一个纳米酶选择执行所需的活性。

在生物体内性能高活性是制备纳米酶的先决条件之一。类酶活性与化学催化可能具有相似之处。然而，目前国内外的研究还很少化学催化与酶性质的关系这些。特别是杂原子掺杂的碳纳米材料是一种很有前途的无金属电催化剂，用于能源存储、转换装置和水由于其优异的催化性能[3]，但其酶学性质催化性能研究很少。在此之前碳基材料在抗癌药物制备中一直担任的是药物负载运输的职责，并且通过细胞膜转运药物实现有效的释放药物达到治疗癌细胞的能力，在医学药物输送领域已被广泛关注，如碳纳米管[4]（单壁或多壁）、碳纳米球[5]、石墨烯及其衍生物[6]等。除此之外，碳基纳米材料具有巨大的比表面积、在酸碱性条件下的优异的化学稳定性、易制备、低成本以及良好的生物相容性等优异的特性这均是作为纳米抗肿瘤药物体系所必备的特点[7]。介孔碳纳米球由于有序的多孔结构、可控的孔径、较大的比表面积以及易于修饰的表面，在药物递送方面得到广泛应用，因为药物可以被截留在介孔碳纳米球的孔道中，实现药物分子的可控释放。值得一说的是，介孔碳纳米材料不仅可以作为药物载体，而且通过杂原子掺杂的介孔碳球纳米酶能够发挥其类氧化酶和类过氧化酶的活性，催化肿瘤内的氧气和过氧化氢产生活性氧自由基从而达到有效治疗肿瘤细胞的能力[8]。

其中氮掺杂的碳纳米材料中，氮被插入碳纳米材料的石墨结构的晶格中。一般来说，在极端反应条件下，这些材料可以通过氧还原反应（ORR）将氧还原成各种氧化物和水，并通过析氧反应（OER）反过来产生氧。例如，在酸性（pH1-2）或碱性条件（pH12）下，它们通过四电子转移机制或二电子途径与氧（O2）反应时表现出高催化活性和耐久性，并伴有中间自由基物种。氮的比例和形式在这些电子途径中起着至关重要的作用。在ORR和OER对氮掺杂的纳米碳球的研究表明，吡啶氮和季氮是潜在的活性位点，尽管仍需要深入研究以阐明它们在ORR和OER中的作用。更具体地说，这些材料的多孔性提高了它们的活性，因为多孔界面提供了许多活性位点并有利于催化过程中的传质。因此，它具有很高的酶样活性，作用于活性氧相关的活性氧调节反应。

对于碳基纳米催化剂，杂原子掺杂已被用于改变电子平衡和活性位点，以产生更有效的催化剂[9]。Yan等人[8]报道了碳纳米催化剂的酶活性和化学催化氧析出反应（OER）和氧还原反应（ORR）有相似的机理，因此构建了修饰有铁蛋白的氮掺杂介孔碳纳米球（N-PCNSs）具有多重酶活性-在铁蛋白的肿瘤靶向以及细胞溶酶体亚定位于肿瘤细胞中具有酸性环境的溶酶体中，特异并且高效杀死肿瘤细胞。研究发现，在不同pH条件下该材料具有不同的类酶催化活性，在pH为4.5时表现出类氧化酶（OXD）的催化活性、pH在2.5-6.0范围内具有过氧化物酶（POD）的催化活性。pH=7.0时呈现出类过氧化氢酶（CAT）活性、当pH为8时氮掺杂的碳纳米球表现出超氧化物歧化酶（SOD）活性。因此N-PCNSs在酸性条件下发挥类氧化酶和类过氧化物酶的作用，达到催化氧气产生活性氧自由基（ROS）；在中性条件下发挥出类过氧化氢酶和类超氧化物歧化酶的活性，清除肿瘤细胞中的自由基。也就是说，N-PCNSs一旦位于溶酶体的微环境中，其将通过消耗O2诱导缺氧并协同增强高ROS能力诱导人结肠癌细胞死亡，并且该材料具有良好的生物相容性。这一研究通过癌细胞内特征性的代谢产物，实现了体内纳米酶的精准靶向以及酶催化活性的调控，为杂原子掺杂的介孔碳纳米球靶向催化肿瘤细胞提供了新的治疗思路和策略。

与单一的氮掺杂碳材料和磷掺杂碳材料相比，磷、氮双掺杂碳材料表现出最小的ORR和OER超电势[10]，这表明双掺杂元素的协同效应可以增加催化反应过程中的电子转移。因此，基于在化学催化领域中碳材料应用的启发，Fan等人[11]报道了新型氮磷共掺杂介孔空心碳纳米球（PNCNzymes）在酸性条件下具有类过氧化物酶活性，与单一的氮掺杂的介孔碳纳米球相比，氮磷双掺杂表现出更高的类过氧化物酶催化活性。另外，吲哚乙酸（IAA）负载在PNCNzymes以及叶酸（FA）的修饰提高了肿瘤细胞中的靶向作用以及细胞内吞作用，构建了FA-PNCNzymes@IAA纳米抗肿瘤药物体系。在酸性条件下的溶酶体中，FA-PNCNzymes@IAA的PNCNzymes表现出的类过氧化物酶催化激活了前药IAA的单电子氧化这一过程能够产生诱导处理细胞凋亡中间体的自由基中间体，随后产生大量的活性氧自由基，最后通过线粒体途径导致细胞凋亡。此外，还探究了硼、氮、磷、氮和硫、氮双掺杂石墨烯的过氧化物酶活性，以评估协同效应对过氧化物酶模拟活性的影响，结果表明在这之中氮磷共掺杂的纳米碳球具有更高的活性。氮磷双掺杂介孔中空碳纳米球这一策略，进一步提高了纳米酶抗肿瘤药物的催化活性。

Liu等人[12]基于碳基纳米材料的类酶性质、光动力和光热性质，报道了氮掺杂的介孔中空碳纳米球（HNCSs）和铁酞菁（FePc）结合的具有多种光活性和类酶活性的简单多功能协同治疗系统（FePc/HNCSs）。具有类POD酶催化活性的FePc/HNCSs可以催化内源性H2O2产生高毒性的羟基自由基（·OH）直接杀死体内的肿瘤细胞；类CAT酶催化分解H2O2产生O2，改善O2依赖的光动力治疗（PDT）。最后通过近红外808nm激光辐照可以显著增强FePc/HNCSs的类酶活性，达到了96.3%的高肿瘤抑制率以及38.7%的光热转换效率。这为杂原子掺杂的介孔碳纳米球在光动力、光热治疗提供了切实可行的新思路。

总之，杂原子掺杂的介孔碳纳米球构建纳米抗肿瘤药物体系已经取得了一定的进展，然而仍然存在一些问题尚未解决。比如，尽管杂原子掺杂的碳基材料在生物体内具有良好的抗肿瘤效率，然后其在生物体内的生物相容性和降解性能还未被研究透彻，这限制了其在临床医学上的研究。因此其在生物医药领域还有许多问题继续研究探索：（1）杂原子掺杂的碳基材料与肿瘤治疗之间的构效关系；（2）研究杂原子掺杂的碳基材料的生物毒性、降解作用在各器官中、各生物体中的表现；（3）针对肿瘤微环境的特性，构建出具有优异特异性靶向性的纳米抗肿瘤药物；（4）将基础研究转化至临床医学应用中。随着研究的不断深入，相信杂原子掺杂的碳基纳米材料一定会在临床应用中得到广泛应用。