納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

周絲雨,梁黛雯,朱曉芳

(1.中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院,湖南 長(zhǎng)沙,410011;2.揚(yáng)州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院 皮膚科,江蘇 揚(yáng)州,225001)

納米酶為具有酶活性的納米材料，其與天然酶在總尺寸、形狀和表面電荷等方面具有某些相似性，因此納米材料能夠模擬天然酶[1]。自然界絕大多數(shù)天然酶為蛋白質(zhì)，遇到高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等環(huán)境易失活并失去催化活性，且天然酶提取難度大，費(fèi)用高。與天然酶相比，納米酶可規(guī)模化制備，具有成本低、合成容易、可回收利用、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性強(qiáng)且更加穩(wěn)定等特點(diǎn)，能適應(yīng)較大范圍的pH值和溫度變化，例如Fe3O4納米酶在pH值為10或溫度在80 ℃的條件下，仍然保持80%的催化活性[2]。

隨著納米酶研究的深入，迄今為止世界上已有200多個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室在積極研究納米酶[3]。而納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用仍然非常局限，作者綜述了納米酶在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究，有助于更好地挖掘納米酶的應(yīng)用前景。

1 納米酶活性調(diào)節(jié)

1.1 納米酶的尺寸效應(yīng)及形貌效應(yīng)

納米酶存在尺寸效應(yīng)，即較小尺寸的納米酶會(huì)因較高的表面體積比而暴露出更多的催化活性位點(diǎn)，從而具有更高的活性。大量研究表明，納米酶顆粒質(zhì)量相同時(shí)，較小尺寸的納米酶具有更好的催化活性。例如，納米金顆粒(AuNPs)的氧化酶催化活性隨顆粒直徑減小而增強(qiáng)，當(dāng)納米金顆粒尺寸減小到2～5 nm時(shí)，其氧化酶活性最佳且最穩(wěn)定[4-5]。因此，利用納米酶的尺寸效應(yīng)可以通過控制納米酶的顆粒直徑來調(diào)節(jié)納米酶的催化活性。

納米酶的形貌效應(yīng)，即不同形態(tài)納米酶的催化活性不同，例如,Mugesh等[6]比較了不同形狀的Mn3O4納米酶(如菜花狀、薄片狀、立方體、多面體和六角形板)的過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和超氧化物歧化酶(SOD)活性，發(fā)現(xiàn)菜花狀Mn3O4納米酶對(duì)這3種反應(yīng)都有最高的催化活性，而其他形態(tài)的Mn3O4納米酶只表現(xiàn)出類似SOD的活性，因此，后續(xù)研究中選擇菜花狀Mn3O4納米酶作為進(jìn)一步的神經(jīng)保護(hù)材料。

1.2 納米酶的材料復(fù)合化及表面修飾

對(duì)于納米酶而言，一種調(diào)節(jié)活性的經(jīng)濟(jì)有效的方法是將2種或多種納米材料復(fù)合來提高納米酶活性。最常用的方法是，用另一種催化活性較高的納米材料，如鉑(Pt)和銥(Ir),復(fù)合催化活性較低的納米材料，如金(Au)和銀(Ag),這不僅可以提高酶的活性，而且可以有效地利用并保留這些貴金屬的特性。例如，將Ir引入鉛(Pb)納米粒子的表層，形成的鈀銥雙金屬(Pb-Ir)納米粒子催化效率比裸Pb納米粒子或辣根過氧化物酶(HRP)提高20～400倍[7]。復(fù)合納米酶表面電子轉(zhuǎn)移能力更強(qiáng)，活性位點(diǎn)更多，與單裸納米顆粒相比有更好的催化性能[8]。

納米酶表面經(jīng)過修飾，能夠改變其對(duì)底物的親和力，從而影響其催化效率。我們可以通過調(diào)節(jié)納米酶表面電荷或酸堿度、阻斷表面通路、共價(jià)修飾、物理吸附等方式，提高納米酶的活性及選擇性[9]。受天然過氧化物酶結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，高利增等[10-11]將Fe3O4納米酶表面修飾組氨酸，模擬天然酶催化反應(yīng)的活性部位，與未加修飾的Fe3O4納米酶相比，由于組氨酸側(cè)鏈咪唑基團(tuán)與過氧化氫(H2O2)之間形成氫鍵，這種修飾使其對(duì)H2O2的親和力提高了至少10倍。因此，經(jīng)組氨酸修飾的Fe3O4納米酶的過氧化物酶催化效率提高20倍以上。

2 納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 納米酶的抗氧化應(yīng)激作用

納米酶如納米氧化鈰、納米富勒烯、五氧化二釩(V2O5)納米線、維生素B2修飾的納米鐵[12-15]等均被用作有效的抗氧化劑，通過產(chǎn)生高過氧化氫酶樣、SOD或谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)樣擬酶活性，來下調(diào)氧化應(yīng)激反應(yīng)和減輕炎性損傷，如羧基化富勒烯具有SOD擬酶活性對(duì)家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)有治療作用。ALS是一種神經(jīng)退行性疾病，與多種基因突變有關(guān)，如SOD1基因突變。用攜帶人類疾病家族性ALS基因的轉(zhuǎn)基因小鼠接受羧基化富勒烯治療，可以觀察到癥狀發(fā)作延遲10 d。羧基化富勒烯還能夠治療非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物帕金森病。研究者用羧基化富勒烯對(duì)帕金森病的獼猴模型進(jìn)行了為期2個(gè)月的系統(tǒng)治療，結(jié)果表明，羧基化富勒烯可以顯著減輕紋狀體損傷和改善運(yùn)動(dòng)功能。實(shí)驗(yàn)期間，羧基化富勒烯未顯示任何毒性[12]。

Mugesh等[13]發(fā)現(xiàn),V2O5納米線具有GPX樣擬酶活性，在谷胱甘肽(GSH)存在的條件下，可催化H2O2轉(zhuǎn)化為H2O。因此,V2O5納米線能清除過氧化氫(H2O2)而發(fā)揮保護(hù)作用。V2O5納米線不僅可以消除外來的H2O2,還可以清除由CuSO4誘導(dǎo)產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)過氧化物，進(jìn)一步證明V2O5納米線可作為細(xì)胞保護(hù)的有效抗氧化劑。綜上所述，納米酶在神經(jīng)保護(hù)、抗氧化、抗老化等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

2.2 納米酶的抗菌作用

活性氧(ROS)是一種含氧的高活性化學(xué)物質(zhì)，具有不成對(duì)的電子，包括超氧陰離子(O2-)、羥自由基(HO-)、H2O2、過氧亞硝酸鹽和脂質(zhì)自由基[16]。ROS能造成微生物DNA、蛋白質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。目前發(fā)現(xiàn)的納米酶主要介導(dǎo)氧化還原反應(yīng)，大部分納米酶可分為4類:氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶及SOD。因此，納米酶可調(diào)節(jié)ROS水平，用于開發(fā)新型的抗菌藥物。例如，在介孔二氧化硅上負(fù)載納米金顆粒形成的復(fù)合材料MSN-AuNPs,具有氧化酶和過氧化酶活性，且在較大的pH值波動(dòng)范圍內(nèi)仍可保持催化活性，從而在生理?xiàng)l件下殺滅細(xì)菌。MSN-AuNPs可產(chǎn)生過量的ROS,從而產(chǎn)生強(qiáng)力的抗菌性能。對(duì)革蘭陽(yáng)性金黃色葡萄球菌和革蘭陰性大腸桿菌的增殖均有明顯的抑制作用[17]。目前，細(xì)菌耐藥已經(jīng)成為世界性難題，而納米酶可以開發(fā)為新型的抗菌劑，為解決這一難題提供新的思路。

2.3 納米酶的生物檢測(cè)作用

核酸(如DNA和RNA)檢測(cè)在人類遺傳學(xué)、臨床診斷、細(xì)胞學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。因此，隨著納米酶領(lǐng)域的巨大成就，科學(xué)家們研究了多種具有納米酶的核酸檢測(cè)方法(大多數(shù)用于DNA檢測(cè))。Wang Q等[18]將鐵卟啉和鏈霉親和素負(fù)載到石墨烯上形成配合物，具有過氧化物酶模擬活性，用于生物素化分子信標(biāo)的特異性識(shí)別。在目標(biāo)DNA存在下，可以打開固定化前的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，然后通過鏈霉親和素與生物素的相互作用結(jié)合成鏈霉親和素功能化的納米酶。然后，在H2O2的存在下，納米酶可以催化鄰苯二胺氧化為氧化鄰苯二胺，進(jìn)而產(chǎn)生電化學(xué)信號(hào)以定量DNA。蛋白質(zhì)檢測(cè)是一種廣泛使用的免疫分析技術(shù)，利用抗體和抗原之間的特異性識(shí)別。用Fe3O4納米酶模擬過氧化物酶，制備了用于診斷埃博拉病毒感染的納米酶條帶。與標(biāo)準(zhǔn)膠體金條帶相比，納米酶條帶可以在過氧化氫存在的條件下，通過催化過氧化物酶底物的氧化來放大信號(hào)，大大提高了檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)最低限值可低至1ng/mL[19]。雙抗體夾心法(ELISA)是目前應(yīng)用最廣泛的免疫檢測(cè)方法，過氧化物酶是其重要的工具酶，然而天然酶易失活，而納米酶不僅有天然酶的催化活性，同時(shí)性質(zhì)穩(wěn)定，且納米材料可以有效富集抗原提高檢測(cè)靈敏度[8]。未來有望使用納米酶來實(shí)現(xiàn)更加廉價(jià)且快速的免疫學(xué)檢測(cè)。

2.4 納米酶用于癌癥治療

活性氧(ROS)可以對(duì)癌細(xì)胞造成傷害。根據(jù)ROS產(chǎn)生的不同途徑和機(jī)制，癌癥治療的納米酶可大致分為2類:納米酶作為過氧化物酶或氧化酶模擬物，在催化過程中產(chǎn)生ROS,原理與前面所述的抗菌活性相似;在光敏劑和過氧化氫酶模擬酶存在的條件下，光照射下產(chǎn)生ROS,其中納米酶的關(guān)鍵作用是產(chǎn)生O2以提高光動(dòng)力療法的功效[3]。

氮摻雜的多孔碳納米球(N-PCNs)具有4種酶活性，包括氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶，可以調(diào)節(jié)體內(nèi)活性氧。用鐵蛋白進(jìn)一步修飾N-PCNs有助于溶酶體的靶向識(shí)別。然后，溶酶體的酸性環(huán)境促進(jìn)了N-PCNs進(jìn)行過氧化物酶和氧化酶模擬活性以產(chǎn)生ROS并消耗氧氣，從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的毒性效應(yīng)和缺氧。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[20]結(jié)果表明,N-PCNs能有效縮小腫瘤體積，提高腫瘤小鼠的存活率。

在光動(dòng)力治療過程中,O2被光敏劑轉(zhuǎn)化為ROS。然而，癌細(xì)胞的缺氧微環(huán)境限制了治療效果，而納米酶的過氧化氫酶樣活性解決了這一問題。納米酶可以將H2O2分解為O2和H2O。介孔二氧化硅上負(fù)載MnFe2O4納米顆粒(MFMSN),可以提高光動(dòng)力療法的效率。MFMSN和ROS在激光照射下連續(xù)產(chǎn)生O2,減輕了癌細(xì)胞缺氧微環(huán)境，提高了治療效果[21]。

3 展 望

納米酶作為一種新型模擬酶，能夠用于多種疾病(如生物濾過膜感染、中風(fēng)、心肌缺血、癌癥、高尿酸血癥和神經(jīng)變性等)的治療。未來應(yīng)著眼于加強(qiáng)納米酶的反應(yīng)特異性和優(yōu)化催化能力，研究納米酶的清除、代謝、降解性、生物相容性及副作用等。平衡治療有效性和安全性對(duì)納米酶未來在臨床上的應(yīng)用至關(guān)重要。鑒于納米催化技術(shù)的獨(dú)特性，納米酶的研究可為開發(fā)可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)、安全的疾病治療方法提供新思路。