基于雜原子摻雜介孔碳球納米酶的抗腫瘤藥物構(gòu)建

＊顧文賢

（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 浙江 325035）

自鐵磁性納米粒子第一次被證明為過(guò)氧化物酶模擬在2007年被報(bào)道以來(lái)，各種納米材料已經(jīng)被鑒定具有類似酶的內(nèi)在特性[1]。這些物質(zhì)能催化酶反應(yīng)遵循相似的酶動(dòng)力學(xué)和機(jī)制生理?xiàng)l件下的天然酶。因此,人們創(chuàng)造了“納米酶”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述這種特性新興一代的模擬酶或人工酶。納米酶具有高的酶活性，可通過(guò)調(diào)節(jié)尺寸控制、摻雜和表面改性。此外,這些人工酶功能齊全，穩(wěn)定性高，易于放大，成本較低。這些優(yōu)點(diǎn)使它們優(yōu)于天然的實(shí)際應(yīng)用中的酶或傳統(tǒng)的酶模擬。在過(guò)去的十年中，納米酶已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療，包括免疫分析、生物傳感器、抗菌膜劑[2]。目前,正在努力探索將納米酶應(yīng)用于活體臨床診斷和治療在體內(nèi)的應(yīng)用是如何控制一個(gè)納米酶選擇執(zhí)行所需的活性。

在生物體內(nèi)性能高活性是制備納米酶的先決條件之一。類酶活性與化學(xué)催化可能具有相似之處。然而，目前國(guó)內(nèi)外的研究還很少化學(xué)催化與酶性質(zhì)的關(guān)系這些。特別是雜原子摻雜的碳納米材料是一種很有前途的無(wú)金屬電催化劑，用于能源存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換裝置和水由于其優(yōu)異的催化性能[3]，但其酶學(xué)性質(zhì)催化性能研究很少。在此之前碳基材料在抗癌藥物制備中一直擔(dān)任的是藥物負(fù)載運(yùn)輸?shù)穆氊?zé)，并且通過(guò)細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)藥物實(shí)現(xiàn)有效的釋放藥物達(dá)到治療癌細(xì)胞的能力，在醫(yī)學(xué)藥物輸送領(lǐng)域已被廣泛關(guān)注，如碳納米管[4]（單壁或多壁）、碳納米球[5]、石墨烯及其衍生物[6]等。除此之外，碳基納米材料具有巨大的比表面積、在酸堿性條件下的優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、易制備、低成本以及良好的生物相容性等優(yōu)異的特性這均是作為納米抗腫瘤藥物體系所必備的特點(diǎn)[7]。介孔碳納米球由于有序的多孔結(jié)構(gòu)、可控的孔徑、較大的比表面積以及易于修飾的表面，在藥物遞送方面得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗幬锟梢员唤亓粼诮榭滋技{米球的孔道中，實(shí)現(xiàn)藥物分子的可控釋放。值得一說(shuō)的是，介孔碳納米材料不僅可以作為藥物載體，而且通過(guò)雜原子摻雜的介孔碳球納米酶能夠發(fā)揮其類氧化酶和類過(guò)氧化酶的活性，催化腫瘤內(nèi)的氧氣和過(guò)氧化氫產(chǎn)生活性氧自由基從而達(dá)到有效治療腫瘤細(xì)胞的能力[8]。

其中氮摻雜的碳納米材料中，氮被插入碳納米材料的石墨結(jié)構(gòu)的晶格中。一般來(lái)說(shuō)，在極端反應(yīng)條件下，這些材料可以通過(guò)氧還原反應(yīng)（ORR）將氧還原成各種氧化物和水，并通過(guò)析氧反應(yīng)（OER）反過(guò)來(lái)產(chǎn)生氧。例如，在酸性（pH1-2）或堿性條件（pH12）下，它們通過(guò)四電子轉(zhuǎn)移機(jī)制或二電子途徑與氧（O2）反應(yīng)時(shí)表現(xiàn)出高催化活性和耐久性，并伴有中間自由基物種。氮的比例和形式在這些電子途徑中起著至關(guān)重要的作用。在ORR和OER對(duì)氮摻雜的納米碳球的研究表明，吡啶氮和季氮是潛在的活性位點(diǎn)，盡管仍需要深入研究以闡明它們?cè)贠RR和OER中的作用。更具體地說(shuō)，這些材料的多孔性提高了它們的活性，因?yàn)槎嗫捉缑嫣峁┝嗽S多活性位點(diǎn)并有利于催化過(guò)程中的傳質(zhì)。因此，它具有很高的酶樣活性，作用于活性氧相關(guān)的活性氧調(diào)節(jié)反應(yīng)。

對(duì)于碳基納米催化劑，雜原子摻雜已被用于改變電子平衡和活性位點(diǎn)，以產(chǎn)生更有效的催化劑[9]。Yan等人[8]報(bào)道了碳納米催化劑的酶活性和化學(xué)催化氧析出反應(yīng)（OER）和氧還原反應(yīng)（ORR）有相似的機(jī)理，因此構(gòu)建了修飾有鐵蛋白的氮摻雜介孔碳納米球（N-PCNSs）具有多重酶活性-在鐵蛋白的腫瘤靶向以及細(xì)胞溶酶體亞定位于腫瘤細(xì)胞中具有酸性環(huán)境的溶酶體中，特異并且高效殺死腫瘤細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，在不同pH條件下該材料具有不同的類酶催化活性，在pH為4.5時(shí)表現(xiàn)出類氧化酶（OXD）的催化活性、pH在2.5-6.0范圍內(nèi)具有過(guò)氧化物酶（POD）的催化活性。pH=7.0時(shí)呈現(xiàn)出類過(guò)氧化氫酶（CAT）活性、當(dāng)pH為8時(shí)氮摻雜的碳納米球表現(xiàn)出超氧化物歧化酶（SOD）活性。因此N-PCNSs在酸性條件下發(fā)揮類氧化酶和類過(guò)氧化物酶的作用，達(dá)到催化氧氣產(chǎn)生活性氧自由基（ROS）；在中性條件下發(fā)揮出類過(guò)氧化氫酶和類超氧化物歧化酶的活性，清除腫瘤細(xì)胞中的自由基。也就是說(shuō)，N-PCNSs一旦位于溶酶體的微環(huán)境中，其將通過(guò)消耗O2誘導(dǎo)缺氧并協(xié)同增強(qiáng)高ROS能力誘導(dǎo)人結(jié)腸癌細(xì)胞死亡，并且該材料具有良好的生物相容性。這一研究通過(guò)癌細(xì)胞內(nèi)特征性的代謝產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)納米酶的精準(zhǔn)靶向以及酶催化活性的調(diào)控，為雜原子摻雜的介孔碳納米球靶向催化腫瘤細(xì)胞提供了新的治療思路和策略。

與單一的氮摻雜碳材料和磷摻雜碳材料相比，磷、氮雙摻雜碳材料表現(xiàn)出最小的ORR和OER超電勢(shì)[10]，這表明雙摻雜元素的協(xié)同效應(yīng)可以增加催化反應(yīng)過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移。因此，基于在化學(xué)催化領(lǐng)域中碳材料應(yīng)用的啟發(fā)，F(xiàn)an等人[11]報(bào)道了新型氮磷共摻雜介孔空心碳納米球（PNCNzymes）在酸性條件下具有類過(guò)氧化物酶活性，與單一的氮摻雜的介孔碳納米球相比，氮磷雙摻雜表現(xiàn)出更高的類過(guò)氧化物酶催化活性。另外，吲哚乙酸（IAA）負(fù)載在PNCNzymes以及葉酸（FA）的修飾提高了腫瘤細(xì)胞中的靶向作用以及細(xì)胞內(nèi)吞作用，構(gòu)建了FA-PNCNzymes@IAA納米抗腫瘤藥物體系。在酸性條件下的溶酶體中，F(xiàn)A-PNCNzymes@IAA的PNCNzymes表現(xiàn)出的類過(guò)氧化物酶催化激活了前藥IAA的單電子氧化這一過(guò)程能夠產(chǎn)生誘導(dǎo)處理細(xì)胞凋亡中間體的自由基中間體，隨后產(chǎn)生大量的活性氧自由基，最后通過(guò)線粒體途徑導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。此外，還探究了硼、氮、磷、氮和硫、氮雙摻雜石墨烯的過(guò)氧化物酶活性，以評(píng)估協(xié)同效應(yīng)對(duì)過(guò)氧化物酶模擬活性的影響，結(jié)果表明在這之中氮磷共摻雜的納米碳球具有更高的活性。氮磷雙摻雜介孔中空碳納米球這一策略，進(jìn)一步提高了納米酶抗腫瘤藥物的催化活性。

Liu等人[12]基于碳基納米材料的類酶性質(zhì)、光動(dòng)力和光熱性質(zhì)，報(bào)道了氮摻雜的介孔中空碳納米球（HNCSs）和鐵酞菁（FePc）結(jié)合的具有多種光活性和類酶活性的簡(jiǎn)單多功能協(xié)同治療系統(tǒng)（FePc/HNCSs）。具有類POD酶催化活性的FePc/HNCSs可以催化內(nèi)源性H2O2產(chǎn)生高毒性的羥基自由基（·OH）直接殺死體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞；類CAT酶催化分解H2O2產(chǎn)生O2，改善O2依賴的光動(dòng)力治療（PDT）。最后通過(guò)近紅外808nm激光輻照可以顯著增強(qiáng)FePc/HNCSs的類酶活性，達(dá)到了96.3%的高腫瘤抑制率以及38.7%的光熱轉(zhuǎn)換效率。這為雜原子摻雜的介孔碳納米球在光動(dòng)力、光熱治療提供了切實(shí)可行的新思路。

總之，雜原子摻雜的介孔碳納米球構(gòu)建納米抗腫瘤藥物體系已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，然而仍然存在一些問(wèn)題尚未解決。比如，盡管雜原子摻雜的碳基材料在生物體內(nèi)具有良好的抗腫瘤效率，然后其在生物體內(nèi)的生物相容性和降解性能還未被研究透徹，這限制了其在臨床醫(yī)學(xué)上的研究。因此其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域還有許多問(wèn)題繼續(xù)研究探索：（1）雜原子摻雜的碳基材料與腫瘤治療之間的構(gòu)效關(guān)系；（2）研究雜原子摻雜的碳基材料的生物毒性、降解作用在各器官中、各生物體中的表現(xiàn)；（3）針對(duì)腫瘤微環(huán)境的特性，構(gòu)建出具有優(yōu)異特異性靶向性的納米抗腫瘤藥物；（4）將基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化至臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。隨著研究的不斷深入，相信雜原子摻雜的碳基納米材料一定會(huì)在臨床應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。