國家納米中心在單原子酶用于腫瘤催化治療方面取得進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員陳春英團(tuán)隊和研究員楊蓉團(tuán)隊在單原子納米酶用于腫瘤催化治療方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Tumor-Microenvironment-Responsive Cascade Reactions by a Cobalt-Single-Atom Nanozyme for Synergistic Nanocatalytic Chemotherapy”為題發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。

近年來，基于腫瘤微環(huán)境（TME）響應(yīng)產(chǎn)生活性氧（ROS）的納米催化療法受到廣泛關(guān)注。然而，納米材料模擬酶（簡稱“納米酶”）有著多種表面構(gòu)象和晶體結(jié)構(gòu)，以及不均一的元素分布，因而衍生出復(fù)雜的催化機(jī)制，對提升其類酶活性和特異性帶來了挑戰(zhàn)。如何合理設(shè)計和有效模擬生物酶的活性位點(diǎn)和空間構(gòu)象，仍然是一個關(guān)鍵而極具挑戰(zhàn)性的研究方向。

單原子納米酶是新近發(fā)展起來的一類納米酶，具有可設(shè)計的幾何結(jié)構(gòu)和電子配位、獨(dú)特的量子尺寸效應(yīng)和最大限度的原子利用效率，為橋連納米酶和天然酶創(chuàng)造了重要機(jī)遇。受天然酶結(jié)構(gòu)啟發(fā)，人們通過模擬其金屬-Nx活性單元，陸續(xù)開發(fā)出一些仿生單原子納米酶。其中，以TME過表達(dá)的H2O2為反應(yīng)底物，這些單原子納米酶通過芬頓反應(yīng)可產(chǎn)生羥基自由基等活性氧物種。然而，由于腫瘤組織H2O2濃度有限，迫切需要探索高效產(chǎn)生ROS的新型化學(xué)反應(yīng)路徑。

▲Co-SAs@NC啟動腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的級聯(lián)反應(yīng)用于腫瘤催化治療

Co是一種人體不可或缺的微量元素，廣泛存在于維生素B12（鈷胺素）中，該中心Co離子與四吡咯咕啉環(huán)配位，具有參與制造骨髓紅細(xì)胞、防止惡性貧血和保護(hù)大腦神經(jīng)系統(tǒng)等功能。研究人員研發(fā)了一種通過Co單原子納米酶啟動級聯(lián)酶促反應(yīng)進(jìn)行腫瘤催化治療的新策略。這種納米酶由氮摻雜的多孔碳負(fù)載Co單原子（Co-SAs@NC）組成，有著比表面積大、高度分散的原子位點(diǎn)和Co-N配位結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢。在級聯(lián)催化反應(yīng)中，它首先發(fā)揮類似過氧化氫酶（CAT）活性，將腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性H2O2分解產(chǎn)生O2，隨后表現(xiàn)類氧化酶（OD）活性，將O2還原成超氧陰離子（O2-）自由基，引發(fā)腫瘤細(xì)胞凋亡。進(jìn)一步與化療藥物（阿霉素）聯(lián)用，顯著增強(qiáng)了抗腫瘤效果。

該材料通過配位-熱解-腐蝕過程制備得到，并用球差電鏡、同步輻射等表征技術(shù)證實(shí)了其單原子結(jié)構(gòu)。Co-SAs@NC顯示出高效的類CAT活性，其分解H2O2產(chǎn)生O2的表觀活化能由Arrhenius方程測定為34.1 kJ mol-1，低于氮摻雜的多孔碳負(fù)載的Co納米顆粒（43.1 kJ mol-1）、過氧化氫酶（46.4 kJ mol-1）和H2O2熱分解需要的能量（210 kJ mol-1）。同時，其具有較寬的溫度使用范圍（30℃-75℃）和可回用能力。通過米氏方程考察其穩(wěn)態(tài)動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)其催化常數(shù)（kw）高于很多已知的CAT模擬酶。更為獨(dú)特的是，在級聯(lián)催化反應(yīng)中，Co-SAs@NC能有效激活類似CAT催化所生成的O2而發(fā)生類似OD催化，導(dǎo)致產(chǎn)生O2-作為關(guān)鍵活性氧物種，同時可抑制類似過氧化物酶（POD）活性。DFT計算結(jié)果表明，O2比H2O2在Co-N4位點(diǎn)有更低的吸附能（-0.81 eV vs.-0.32 eV），這種優(yōu)先的O2吸附及其活化造成O-O鍵長拉伸（從1.20埃到1.29埃），最終使得材料對OD催化表現(xiàn)出出色的特異性。穩(wěn)態(tài)動力學(xué)研究結(jié)果顯示，其類OD活性高于很多單原子納米酶和傳統(tǒng)納米酶。

細(xì)胞毒性實(shí)驗、ROS熒光、流式細(xì)胞術(shù)等實(shí)驗結(jié)果表明，Co-SAs@NC在pH=6.0的酸性環(huán)境下，由級聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生大量的O2-自由基，聯(lián)用阿霉素后，這種協(xié)同的納米催化化療對小鼠乳腺癌生長表現(xiàn)出了顯著的抑制效果（92%）。HE染色和小鼠生化指標(biāo)測試結(jié)果顯示，主要組織器官沒有明顯損傷，Co-SAs@NC表現(xiàn)出良好的生物相容性。實(shí)驗結(jié)果表明基于Co單原子納米酶的納米催化化療是一種很有前途的腫瘤治療策略。

上述研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計劃、廣東高水平創(chuàng)新研究機(jī)構(gòu)等項目的支持。