載酶納米催化體系用于疾病診療的研究進(jìn)展

唐玉靜，胡 敏，王 霞，王啟剛

（同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092）

酶作為一種由活細(xì)胞產(chǎn)生的高效催化劑［1］，在生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)中起著舉足輕重的作用，如光合過(guò)程［2］、呼吸作用等各種代謝過(guò)程.離體酶也具有催化活性，能夠在溫和的條件下降低反應(yīng)的活化能，特異性催化底物進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化［3］，在藥物合成、病灶成像、生物傳感和疾病治療等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［4～7］.酶是一個(gè)規(guī)模十分龐大的體系，其中，氧化還原酶是數(shù)量最多的酶類，能夠催化分子間的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，與細(xì)胞的生命歷程及生物體的生命活動(dòng)密切相關(guān)［8］，已成為酶催化科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

盡管如此，天然酶仍存在提取復(fù)雜、價(jià)格昂貴、儲(chǔ)存困難和易失活等固有弊端，因此發(fā)展具有類酶活性的材料是酶學(xué)研究的必然之勢(shì)［9］.Breslow等［10］在1970年提出了“人造酶”的概念，2007年，閻錫蘊(yùn)院士團(tuán)隊(duì)［11］首次報(bào)道了Fe3O4納米顆粒具有過(guò)氧化物酶活性，隨后十幾年間模擬酶（納米酶）的研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，目前已經(jīng)開發(fā)了多種金屬基納米酶及非金屬基納米酶［12～14］，而對(duì)于模擬酶材料的活性、專一性的設(shè)計(jì)探索是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).單個(gè)酶的原位反應(yīng)往往難以完成復(fù)雜的催化行為，而細(xì)胞內(nèi)的代謝過(guò)程往往是由酶級(jí)聯(lián)或多酶體發(fā)揮作用［6］，該過(guò)程可以避免中間體的分離純化步驟，且推動(dòng)化學(xué)平衡向產(chǎn)物側(cè)轉(zhuǎn)移［6，15］，多酶級(jí)聯(lián)體系材料的設(shè)計(jì)顯得尤為重要.研究人員開發(fā)了天然酶級(jí)聯(lián)和有模擬酶參與的級(jí)聯(lián)體系［16～18］，為生物催化應(yīng)用提供了更廣闊的視角.因此，仿生載酶納米催化體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是構(gòu)建類細(xì)胞區(qū)室化結(jié)構(gòu)的納米體系，形成酶的限域微環(huán)境和底物擴(kuò)散通道［19］.隨著納米技術(shù)和納米醫(yī)學(xué)的崛起，酶催化納米載體的發(fā)展為設(shè)計(jì)理想的人工催化模型開拓了道路.這種催化體系的構(gòu)建可以有效清除底物的擴(kuò)散屏障，保持酶的活性并提高級(jí)聯(lián)酶的催化效果，特殊的尺寸也可以增強(qiáng)腫瘤等疾病部位的滲透保留能力，為穩(wěn)定、高效的載酶納米催化反應(yīng)提供保證［20～22］.

生命體中的多酶催化體系直接影響生命代謝系統(tǒng)，而代謝調(diào)控又和疾病息息相關(guān).因此利用仿生構(gòu)建載酶體系來(lái)實(shí)現(xiàn)疾病的診療研究是非常有潛力的［23］.隨著人類飲食結(jié)構(gòu)和生活方式的變化，癌癥和其它代謝類疾病已成為制約人口壽命增長(zhǎng)的主要障礙，發(fā)病人群呈現(xiàn)年輕化的趨勢(shì)［24］.基于微環(huán)境專一性和高效性的酶催化反應(yīng)，酶催化納米體系有望在疾病的成像診斷和多模式治療方面實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展.生物成像可以實(shí)現(xiàn)病變部位的可視化［25］，酶尤其是模擬酶特殊的物理性質(zhì)和生物催化特性的結(jié)合豐富了成像方式，同時(shí)可以在一定程度上診斷疾病和追蹤治療進(jìn)展［26～28］.疾病治療方面，酶催化納米體系主要通過(guò)對(duì)病變部位活性氧的調(diào)節(jié)及其它代謝產(chǎn)物的清除來(lái)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)，其光磁等物理響應(yīng)性賦予了疾病的多模式協(xié)同治療的可能性［29～31］.近年來(lái)酶催化納米體系在疾病診療方面的研究已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，若能實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，對(duì)人類的健康將有很大的促進(jìn)作用，但目前該領(lǐng)域的研究仍存在很多挑戰(zhàn)，催化體系的構(gòu)效關(guān)系、理論研究尚存在短板，進(jìn)入人體后生物循環(huán)和生物安全性仍需進(jìn)一步研究，酶催化納米體系真正實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用還有很多問(wèn)題需要解決.

本文總結(jié)了近年來(lái)酶催化納米體系在疾病診療方面的研究進(jìn)展，首先介紹了酶催化納米體系的構(gòu)建，包括單酶和級(jí)聯(lián)酶體系的基本組成及酶納米載體的發(fā)展；接下來(lái)對(duì)酶催化納米體系在超聲成像、熒光成像、光聲成像和磁共振成像中的具體應(yīng)用進(jìn)行了歸納；隨后討論了其在腫瘤治療和其它代謝類疾病治療的作用途徑；最后對(duì)酶納米體系用于疾病診療領(lǐng)域的研究進(jìn)行了總結(jié)和展望（Scheme 1）.

Scheme 1 Enzyme-load nanocatalytic systems for bioimaging and disease treatment

1 酶催化納米體系

1.1 單酶體系

1.1.1 天然酶 天然酶中的氧化還原酶具有調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的能力，可以與催化特異性底物進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮著重要作用.過(guò)氧化物酶是用于生物催化聚合的酶催化劑大家族，主要以過(guò)氧化氫為底物，催化生成活性氧物種.其中，辣根過(guò)氧化物酶（HRP）作為典型的代表，在催化反應(yīng)中被廣泛研究.HRP是以鐵卟啉Fe（Ⅲ）為活性中心的酶，反應(yīng)未發(fā)生時(shí)，HRP中的Fe（III）處于未激活狀態(tài)，進(jìn)入催化循環(huán)中后，F(xiàn)e（III）上的水配體被過(guò)氧化物末端的H2O2取代，形成化合物1.過(guò)氧化物鍵裂解后，形成活性Fe（Ⅳ）催化中心（化合物2），此時(shí)開始催化底物，從底物中拔兩個(gè)氫產(chǎn)生相應(yīng)的自由基啟動(dòng)聚合過(guò)程，如此便完成了一個(gè)催化循環(huán)［17］［圖1（A）］.

Fig.1 Catalytic mechanisms of four typical natural enzymes

超氧化物歧化酶（SOD）作為細(xì)胞內(nèi)必需的抗氧化酶，可以清除超氧陰離子，在維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用.Martin等［32］以錳超氧化物歧化酶為例，結(jié)合密度泛函理論和量子、分子力學(xué)計(jì)算，對(duì)Mn（Ⅲ）和Mn（Ⅱ）的循環(huán)催化過(guò)程進(jìn)行了研究［圖1（B）］，該過(guò)程涉及兩個(gè)半反應(yīng)：超氧陰離子被歧化分別生成O2和H2O2，防止超氧化物過(guò)量積累造成的細(xì)胞損傷.

葡萄糖氧化酶（GOx）是一種含有黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的蛋白質(zhì)［33］，可以在氧氣的存在下消耗葡萄糖生成葡萄糖酸和過(guò)氧化氫［34］.這個(gè)過(guò)程中，輔因子FAD起到了不可或缺的作用，F(xiàn)AD可以進(jìn)行單電子和雙電子的轉(zhuǎn)移［圖1（C）］，在還原半反應(yīng)中，葡萄糖被氧化成葡萄糖內(nèi)酯，輔因子FAD被還原為FADH2.在氧化半反應(yīng)中，F(xiàn)ADH2被O2重新氧化并生成H2O2［35］.葡萄糖內(nèi)酯可以水解產(chǎn)生葡萄糖酸，可以降低反應(yīng)體系的pH值，有利于細(xì)胞內(nèi)響應(yīng)性系統(tǒng)的構(gòu)建.

如上所述，GOx的催化過(guò)程需要輔因子的參與，然而也有很多氧化酶不需要輔因子就可以與氧氣反應(yīng)，尿酸氧化酶（UOX）就是一種無(wú)輔因子氧化酶，可以在O2介導(dǎo)下催化尿酸（UA）降解為5-羥基尿酸鹽［圖1（D）］.如圖所示，UOX從尿酸陰離子上拔氫質(zhì)子，隨后尿酸陰離子與O2發(fā)生電子轉(zhuǎn)移生成尿酸自由基和超氧陰離子，之后通過(guò)兩種可能的路徑生成H2O2和最后的水解產(chǎn)物尿囊素［36］.

以上幾種酶是應(yīng)用中比較常見(jiàn)的天然酶，除此之外，細(xì)胞內(nèi)還有眾多酶協(xié)同發(fā)揮作用，涉及質(zhì)子輔助電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程，這里不再具體介紹.

1.1.2 模擬酶 天然酶在使用過(guò)程中面臨著使用條件苛刻、難以回收和穩(wěn)定性差等問(wèn)題，因此，科學(xué)家們研究了一系列具有類酶催化活性的材料，稱為模擬酶.模擬酶按化學(xué)成分可以分為非金屬基和金屬基兩類，除了常見(jiàn)的納米顆粒，氨基酸配位金屬的模擬酶近期也受到了廣泛的關(guān)注.

非金屬模擬酶主要由碳基材料構(gòu)成，通常是在材料表面進(jìn)行官能團(tuán)修飾，顯示出類酶催化活性［37，38］.石墨烯作為一種典型的碳材料，被酸氧化后在表面引入了含氧基團(tuán)，氧化石墨烯具有過(guò)氧化物酶活性，在H2O2的存在下可以有效地催化3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）氧化［39］.非金屬雜原子的摻雜可以誘導(dǎo)納米材料中的電荷轉(zhuǎn)移，提高催化活性，F(xiàn)an等［40］將氮元素?fù)诫s在多孔碳球中構(gòu)建了一種具有4種酶催化活性的納米酶，可以特異性調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞內(nèi)的活性氧，導(dǎo)致腫瘤的消退.Liang等［41］還開發(fā)了氮和磷雙摻雜的多孔空心碳球，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙摻雜比單摻雜的模擬酶具有更高的過(guò)氧化物酶活性，可與吲哚乙酸（IAA）形成前體藥物系統(tǒng)治療腫瘤.

金屬基納米酶因具有類天然酶的活性中心和特殊的物理特性而被廣泛研究.貴金屬納米顆?？梢宰鳛榧{米酶發(fā)揮催化作用，碳負(fù)載或檸檬酸鹽包被的金納米顆粒具有GOx活性［42］，Dong等［43］則對(duì)多種貴金屬納米顆粒模擬GOx的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)以O(shè)2作為電子受體時(shí)，金納米酶氧化葡萄糖可以生成H2O2，而Pt，Pd，Ru和Rh等其它貴金屬納米粒子的催化產(chǎn)物為H2O，同時(shí)發(fā)現(xiàn)貴金屬納米酶也可以發(fā)揮輔酶的作用.這項(xiàng)研究豐富了納米酶的理論研究，可以進(jìn)一步指導(dǎo)納米酶的設(shè)計(jì).此外，貴金屬納米顆?？梢阅M多種酶活性［如過(guò)氧化物酶（PDP）、超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶（CAT）等［44～47］］，可以用于生物信號(hào)檢測(cè)及調(diào)控氧化還原平衡，但其體外和體內(nèi)的毒性作用仍不容忽視.

金屬氧化物也是納米酶中很重要的組成部分.作為納米酶領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究工作，許多科研人員已經(jīng)對(duì)Fe3O4納米顆粒的POD活性進(jìn)行了深入的探究［11］.近年來(lái)，其它過(guò)渡金屬氧化物的氧化還原酶活性也得到了極大的發(fā)展.Ge等［48］以人血清白蛋白（HSA）為模板制備了MnO2納米顆粒，其具有氧化酶的活性，可以直接在不需要H2O2的條件下將TMB氧化.Li等［49］將MnO2作為細(xì)胞保護(hù)殼，封裝單個(gè)酵母細(xì)胞，不僅可以增強(qiáng)細(xì)胞的嚴(yán)苛物理?xiàng)l件下的耐受性，還可以利用其固有的SOD和CAT模擬活性，在體外和體內(nèi)有效去除細(xì)胞內(nèi)有害的活性氧（ROS），提高細(xì)胞的保存時(shí)間.氧化鈰（CeO2）納米顆粒中的Ce可以在三價(jià)和四價(jià)之間相互轉(zhuǎn)化，可以模擬氧化還原酶分解一些活性氧及活性氮，在氧化應(yīng)激類疾病的治療中發(fā)揮著重要作用［50～52］.Zeng等［53］以透明質(zhì)酸為模板合成了CeO2納米酶，可以模擬過(guò)氧化氫酶釋放氧氣，緩解腫瘤缺氧問(wèn)題.Baldim等［52］也利用熱分解法制備了CeO2納米顆粒，并對(duì)聚合物包裹的CeO2納米酶進(jìn)行了酶活性的探究.氧化鈷（Co3O4）在類酶材料的發(fā)展中也具有重要地位.Qin等［54］發(fā)現(xiàn)Co3O4具有類氧化酶活性，在無(wú)外源H2O2添加的情況下能夠催化氧化TMB變色，可用于監(jiān)測(cè)亞硫酸鹽.Mu等［55］則對(duì)Co3O4的類過(guò)氧化氫酶活性進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)Co3O4納米粒子和天然酶具有相似的活化能，且能在不同pH和溫度下保持穩(wěn)定，能用作監(jiān)測(cè)過(guò)氧化氫的傳感器，并提出了相應(yīng)的催化機(jī)制.但是，過(guò)渡金屬氧化物在生物體內(nèi)存在容易形成聚集體的趨勢(shì)，無(wú)疑會(huì)降低其類酶活性，這限制了該類納米材料的進(jìn)一步應(yīng)用，同時(shí)也為納米材料的表面修飾、模板合成和載體構(gòu)建方面的研究提供了空間.

從天然酶的結(jié)構(gòu)出發(fā)，金屬和氨基酸的配位通常是催化活性位點(diǎn)，因此活性中心配位環(huán)境的模擬對(duì)設(shè)計(jì)具有高選擇性的酶十分重要［56］.甘氨酸亞鐵（Fe［Gly］2）作為一種兩個(gè)甘氨酸配位的亞鐵螯合物，被證明具有過(guò)氧化物酶活性，Zhang等［57］通過(guò)理論計(jì)算研究了Fe［Gly］2的催化機(jī)理，H2O2首先通過(guò)電子轉(zhuǎn)移使亞鐵變成亞鐵的過(guò)氧化物（cpd 0），甘氨酸配體上失去一個(gè)電子生成陽(yáng)離子自由基（cpd I），之后從底物分子拔一個(gè)氫，得到cpd II，再拔一個(gè)氫則回到最原始的Fe［Gly］2狀態(tài).在最后兩步拔氫的過(guò)程中可以產(chǎn)生自由基，引發(fā)聚合反應(yīng)［圖2（A）］.Qu等［58］以Fe3O4納米粒子為催化內(nèi)核，以不同的含有手性氨基酸的聚合物為殼，構(gòu)建了具有立體選擇性的納米酶，為設(shè)計(jì)更具有立體選擇性的納米酶開辟了新途徑.我們團(tuán)隊(duì)［59，60］也進(jìn)行了一系列氨基酸配位金屬模擬酶的研究，Xia等［60］將賴氨酸和氯化亞鐵的水溶液混合，在60℃下通氮?dú)獬踹M(jìn)行反應(yīng)，隨后進(jìn)行純化得到產(chǎn)物賴氨酸亞鐵Fe［Lys］2［圖2（C）］，對(duì)將Fe［Lys］2和H2O2混合后，對(duì)其進(jìn)行了低溫電子順磁共振（EPR）測(cè)試，發(fā)現(xiàn)譜線呈現(xiàn)三價(jià)鐵的特征［圖2（B）］，驗(yàn)證了在催化過(guò)程中存在三價(jià)鐵中間體.Qi等［59］用SOD試劑盒和TMB比色法探究了Fe［Gly］2的SOD活性和POD活性，發(fā)現(xiàn)并推測(cè)了其可能的反應(yīng)機(jī)理［圖2（D）］.不同于Fe2+的芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，F(xiàn)e［Gly］2在此催化過(guò)程具有與天然HRP相似的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，并不產(chǎn)生羥基自由基.

Fig.2 Suggested catalytic mechanisms of some enzyme mimics

1.2 級(jí)聯(lián)酶體系

單酶的治療效果往往十分有限，受細(xì)胞內(nèi)多酶作用的啟發(fā)，酶級(jí)聯(lián)體系得到了極大的發(fā)展.酶串聯(lián)可以提高局部濃度，改善傳質(zhì)效率并避免了中間體積累可能產(chǎn)生的毒副作用［61］.級(jí)聯(lián)酶體系可以簡(jiǎn)單地分為天然酶級(jí)聯(lián)和有模擬酶參與的級(jí)聯(lián)體系.

1.2.1 天然酶級(jí)聯(lián)體系 H2O2作為眾多酶催化的產(chǎn)物和生成物，是連接很多酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)的橋梁.GOx可以在有氧條件下氧化葡萄糖產(chǎn)生H2O2，該體系作為HRP催化反應(yīng)的供給系統(tǒng)，可原位催化聚合反應(yīng).我們團(tuán)隊(duì)［62，63］開發(fā)了GOx-HRP雙酶聚合體系，HRP利用GOx催化葡萄糖產(chǎn)生的H2O2作為底物，催化乙酰丙酮產(chǎn)生碳自由基，可以在溫和條件下快速引發(fā)單體聚合，維持了H2O2的平衡并消耗了O2［圖3（A）］.乳酸是細(xì)胞代謝的重要產(chǎn)物，乳酸氧化酶（LOx）將乳酸鹽轉(zhuǎn)化為H2O2，Ge等［64］據(jù)此開發(fā)了一種含有乳酸氧化酶和HRP的多酶探針，HRP催化前一步酶促產(chǎn)生的H2O2結(jié)合熒光紅染料生成熒光產(chǎn)物，可在活細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)乳酸的特異性靈敏檢測(cè)［圖3（B）］.此外，我們團(tuán)隊(duì)［65］還整合了SOD和CAT級(jí)聯(lián)體系，SOD可以催化超氧陰離子生成H2O2和O2，CAT將利用此H2O2產(chǎn)生O2，實(shí)現(xiàn)了超氧陰離子到分子氧的轉(zhuǎn)變，可應(yīng)用于生物成像［圖3（C）］.此外，氯過(guò)氧化物酶（CPD）可以在H2O2的存在下將鹵離子氧化生成次氯酸和單線態(tài)氧，我們團(tuán)隊(duì)［66，67］也開發(fā)了GOx-CPO級(jí)聯(lián)體系和SOD-CPO級(jí)聯(lián)體系用于酶動(dòng)力腫瘤治療的應(yīng)用［圖3（D）和（E）］.

Fig.3 Schematic representation of a few cascade of enzymatic systems

1.2.2 有模擬酶參與的級(jí)聯(lián)體系 在級(jí)聯(lián)反應(yīng)中引入模擬酶來(lái)替代天然酶，可以規(guī)避天然酶難以回收、惡劣條件易失活導(dǎo)致的催化性能不足的風(fēng)險(xiǎn).天然酶和模擬酶的聯(lián)用可以提高酶在多種反應(yīng)環(huán)境的穩(wěn)定性，Qu等［68］用具有POD活性的二維金屬有機(jī)框架（MOF）材料吸附GOx，通過(guò)自活化產(chǎn)生的H2O2可以用于MOF納米酶的后續(xù)催化產(chǎn)生羥基自由基以增強(qiáng)抗菌效果，該級(jí)聯(lián)反應(yīng)在小鼠背部傷口模型中體現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌性能，并促進(jìn)了傷口的愈合.Ming等［69］將GOx偶聯(lián)到具有CAT和POD酶活性的Pd@Pt納米片上，并用透明質(zhì)酸進(jìn)行修飾，可以實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向，并在細(xì)胞內(nèi)部特異性激活酶的催化活性.具體而言，內(nèi)源性H2O2可以被CAT催化產(chǎn)生O2，增強(qiáng)了GOx對(duì)葡萄糖的氧化來(lái)進(jìn)行饑餓治療，同時(shí)GOx催化反應(yīng)產(chǎn)生的葡萄糖酸和H2O2進(jìn)一步促進(jìn)了納米酶CAT和POD酶活性，經(jīng)由類POD酶活性產(chǎn)生劇毒的羥基自由基可以發(fā)揮化學(xué)動(dòng)力治療的作用.此外，Du等［70］還開發(fā)了膽固醇氧化酶和具有POD活性的MOF材料用于癌癥研究.然而，想進(jìn)一步提高催化活性及酶的負(fù)載量仍具有挑戰(zhàn)性.

完全基于納米酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng)也被廣泛探究.Gao等［30］設(shè)計(jì)了一種基于腫瘤微環(huán)境觸發(fā)的雙無(wú)機(jī)納米酶平臺(tái)，用多空二氧化硅實(shí)現(xiàn)了具有GOx活性的Au納米顆粒和具有POD活性的Fe3O4的共載.該平臺(tái)可以通過(guò)EPR效應(yīng)載腫瘤組織中積累，Au將葡萄糖氧化生成H2O2，F(xiàn)e3O4將H2O2歧化產(chǎn)生羥基自由基，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡，實(shí)驗(yàn)證明，該體系可以達(dá)到69.08%的腫瘤抑制率.Liu等［71］在Mn基MOF中摻雜了Pt納米顆粒，MOF可以模擬SOD將超氧陰離子轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫，Pt納米顆粒具有CAT活性催化過(guò)氧化氫產(chǎn)生O2，該級(jí)聯(lián)體系可以有效地清除活性氧用于緩解炎癥型腸病.由于很多模擬酶具有多酶活性，可以實(shí)現(xiàn)自級(jí)聯(lián)催化.Wang等［72］開發(fā)了一種基于MOF材料、具有谷胱甘肽氧化酶和過(guò)氧化物酶活性的銅納米酶，可以在有氧條件下消耗細(xì)胞內(nèi)的谷胱甘肽產(chǎn)生H2O2，并將Cu（Ⅱ）轉(zhuǎn)換為Cu（Ⅰ），用于后續(xù)POD催化生成羥基自由基誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡.Xia等［73］對(duì)環(huán)糊精修飾的金納米顆粒（CD@Au NPs）的多酶級(jí)聯(lián)催化機(jī)理進(jìn)行了研究，基于Bader電荷分析，CD@Au NPs上的Au與氧原子連接而顯電負(fù)性，與帶負(fù)電的水合葡萄糖陰離子有較強(qiáng)的親和力繼而發(fā)揮類GOx的催化作用，也用實(shí)驗(yàn)證明了CD分子的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)了Au NPs的表面電子態(tài)，此外發(fā)現(xiàn)CD@Au NPs可以催化TMB轉(zhuǎn)化為oxTMB，顯示出POD活性，相較于HRP對(duì)TMB具有更高的親和力.盡管如此，模擬酶仍存在很多不可預(yù)測(cè)的催化活性，且進(jìn)入生物體的催化路徑難以控制.

1.3 酶催化載體體系

酶對(duì)病理微環(huán)境具有特異性響應(yīng)能力，與此同時(shí)，游離酶的活性容易受到環(huán)境的干擾，其不穩(wěn)定性和難以重復(fù)使用性也限制了酶的應(yīng)用，尤其是級(jí)聯(lián)酶反應(yīng)過(guò)程中，酶之間的距離對(duì)催化活性及反應(yīng)進(jìn)程意義重大.因此，發(fā)展固定化酶的納米載體可以進(jìn)一步豐富酶的應(yīng)用場(chǎng)景.目前，固定酶的常用手段主要包括物理吸附和包埋、化學(xué)交聯(lián)、共價(jià)結(jié)合和原位合成，由于酶固有屬性的差異性及服務(wù)場(chǎng)景的多樣性，越來(lái)越多的納米載體應(yīng)運(yùn)而生.根據(jù)載體材料的不同，可將其大致分為無(wú)機(jī)載體、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化載體以及有機(jī)載體.

1.3.1 無(wú)機(jī)納米載體 無(wú)機(jī)納米載體包括多孔二氧化硅、金屬氧化物、量子點(diǎn)、碳基材料及貴金屬等.Jo等［74］在微乳液中通過(guò)一鍋法合成了酶納米反應(yīng)器，主要是利用了酶的羧基和硅酸鹽單體上的氨基之間進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng)，同時(shí)硅酸鹽單體反應(yīng)形成硅納米顆粒，成功實(shí)現(xiàn)了酶的高效包封且能夠進(jìn)行區(qū)域級(jí)聯(lián)反應(yīng).一些金屬及金屬氧化物因具有高穩(wěn)定性和生物相容性，也可以用作酶納米載體，Gu等［75］將酪氨酸酶固定在金誘導(dǎo)生長(zhǎng)ZnO的納米棒上，可用于生物傳感領(lǐng)域，Rani等［76］也進(jìn)行了ZnO及MnO2負(fù)載漆酶的探究，發(fā)現(xiàn)負(fù)載后的酶活性及穩(wěn)定性有明顯提高.此外，一些載體材料本身具有的類酶活性、成像能力、光熱及磁熱性能，為腫瘤聯(lián)合治療提供了更有效的途徑［77］.Zhang等［78］則是先將氧化鐵納米顆粒進(jìn)行聚多巴胺修飾，而后通過(guò)共價(jià)結(jié)合作用成功負(fù)載了GOx.在該系統(tǒng)中，氧化鐵在作為載體的同時(shí)，也可以作為光熱劑和催化劑，實(shí)現(xiàn)腫瘤的化學(xué)動(dòng)力學(xué)和光熱協(xié)同治療.He等［79］則將磁性納米顆粒Fe3O4表面修飾聚乙二醇（PEG），通過(guò)酰胺化反應(yīng)負(fù)載GOx，改變PEG的分子量調(diào)控GOx和Fe3O4的距離［圖4（A）］，利用Fe3O4具有過(guò)氧化物酶活性與GOx級(jí)聯(lián)產(chǎn)生羥基自由基來(lái)殺死腫瘤細(xì)胞，同時(shí)該納米催化體系在交變磁場(chǎng)中具有磁熱性能，可以增強(qiáng)腫瘤治療效果.無(wú)機(jī)納米載體在酶負(fù)載方面得到了廣泛應(yīng)用，但仍存在結(jié)構(gòu)不易調(diào)控、酶泄露風(fēng)險(xiǎn)大、金屬及金屬氧化物高毒性等問(wèn)題，這也限制了無(wú)機(jī)納米酶載體的發(fā)展.

Fig.4 Some approaches to immobilizing enzymes

1.3.2 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化納米載體 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化載體中最典型的例子是MOF材料，因其具有高的比表面積和可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)酶的表面固定又能對(duì)酶進(jìn)行多孔內(nèi)部空間限定，且作為連接點(diǎn)的金屬離子通常具有類酶活性，進(jìn)一步擴(kuò)大了級(jí)聯(lián)酶反應(yīng)類型，所以MOF載體固定酶一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［21］.目前，MOF載體固定酶主要有從頭固定和合成后固定兩種策略.基于合成之后的MOF材料再封裝方法，可以采取表面修飾與酶進(jìn)行偶聯(lián)，這種方法可以推廣到多種載體，但往往酶的固定效率不高，而MOF的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為酶負(fù)載提供了一個(gè)有效環(huán)境.Li等［80］基于鋯基MOF材料，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的配體來(lái)調(diào)控介孔尺寸，合成了相互連接且具有分層介孔通道的MOF酶載體材料，之后將MOF材料浸泡于酶溶液中，實(shí)現(xiàn)了乳酸脫氫酶的負(fù)載.此研究中MOF中的大孔道結(jié)構(gòu)用于固定酶，小尺寸通道可實(shí)現(xiàn)底物和輔酶的擴(kuò)散，固定酶的活性與游離酶的活性相當(dāng).所謂從頭固定即酶在MOF結(jié)晶的過(guò)程中錨定在材料中，這樣的負(fù)載方式會(huì)比后浸潤(rùn)的方式結(jié)合得更緊密［81］.Man等［61］采用從頭固定酶的方式，在MOF合成的過(guò)程中負(fù)載GOx，并以此為核進(jìn)行MOF的二次生長(zhǎng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)HRP的負(fù)載［圖4（B）］，這種多殼結(jié)構(gòu)為級(jí)聯(lián)酶反應(yīng)提供了有效的微環(huán)境.該團(tuán)隊(duì)也用類似的封裝步驟對(duì)堿性蛋白酶和醇脫氫酶進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)相較于游離酶，MOF整合酶可以將級(jí)聯(lián)催化效率提高5.8～13.5倍.為了解決酶限制在MOF壁上導(dǎo)致的自由度受限的問(wèn)題，Tian團(tuán)隊(duì)［82］提出了一種以Pickering乳液為導(dǎo)向劑的MOF界面組裝成型的微反應(yīng)器，模擬活細(xì)胞微工廠.酶和金屬離子被分散在Pickering液滴中，加入配體后MOF在液滴界面生長(zhǎng)，二氧化硅則分布于外部穩(wěn)定液滴.實(shí)驗(yàn)表明，這種區(qū)室化微環(huán)境賦予了酶更優(yōu)異的催化效率、穩(wěn)定性和耐久性.MOF載體固定酶在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用方面具有巨大的潛力，同時(shí)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如探索載體材料和酶之間的相互作用、進(jìn)行MOF孔道的設(shè)計(jì)優(yōu)化等.

1.3.3 有機(jī)納米載體 有機(jī)納米載體主要由聚合物構(gòu)成，包括天然聚合物和合成聚合物.Jiang等［83］利用乳液模板法制備具有磁響應(yīng)性的玉米蛋白質(zhì)基納米載體，其表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性及可回收性.Wu等［84］將丙烯化的基團(tuán)與酪氨酸酶表面的基團(tuán)共價(jià)結(jié)合進(jìn)行錨定，之后在水溶液中引發(fā)原位聚合形成聚合物網(wǎng)絡(luò)殼，得到單酶負(fù)載的納米膠囊，其可用于生物傳感.Zhao等［85］也利用酶上的氨基和聚合物上的醛基形成聚合物，實(shí)現(xiàn)了GOx的固定.此外，納米凝膠作為酶載體研究的重要組成部分，也助推了酶固定領(lǐng)域的發(fā)展，Zhao等［86］用GOx納米凝膠進(jìn)行了黑色素瘤的治療，同時(shí)發(fā)現(xiàn)GOx單獨(dú)使用時(shí)并不能達(dá)到治療效果，游離酶的穩(wěn)定性差且具有免疫原性，這充分體現(xiàn)了納米載體在提高單酶的生物安全性方面的作用.在級(jí)聯(lián)酶固定方面，納米凝膠在實(shí)現(xiàn)酶負(fù)載的同時(shí)，提高了級(jí)聯(lián)酶之間的傳質(zhì)效率，為酶催化反應(yīng)提供了區(qū)隔化的限域.近年來(lái)我們組發(fā)展了納米凝膠作為載體固定及模擬酶的方法.Qi等[59]對(duì)納米級(jí)表面進(jìn)行鹵素引發(fā)劑的修飾，利用酶催化原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的方法，以修飾有雙鍵的賴氨酸為單體，在界面形成聚合物刷，引入亞鐵離子與賴氨酸上的羧基和氨基配位作為交聯(lián)劑形成納米凝膠，同時(shí)亞鐵離子也作為活性中心模擬SOD酶和POD酶［圖4（C）］.此外，基于多肽前體的原位界面自組裝包裹酶的納米催化體系也得到了進(jìn)一步的開發(fā)，Zhang等[87]通過(guò)靜電作用錨定堿性磷酸酶于納米內(nèi)核，誘導(dǎo)多肽Fmoc-Tyr（H2PO3）-OH脫去磷酸基團(tuán)，溶解性下降，隨后在界面自組裝成超分子凝膠同時(shí)實(shí)現(xiàn)CPO的負(fù)載［圖4（D）］.以自由酶的活性為對(duì)照，探究了納米凝膠包覆酶的活性隨時(shí)間及溫度的變化，如圖所示，溫度升高對(duì)酶的活性有一定影響，但總體來(lái)講維持著較高的活性.Wu等[66]也利用堿性磷酸酶誘導(dǎo)多肽界面組裝的方法制備了納米凝膠，并實(shí)現(xiàn)了SOD和CPO的雙酶負(fù)載（nanogel@SOD/CPO）.相較于游離的SOD/CPO體系，nanogel@SOD/CPO催化產(chǎn)生單線態(tài)氧的速率相對(duì)慢一些，但這種產(chǎn)生單線態(tài)氧的方法是可行的.天然聚合物和合成聚合物在酶負(fù)載方面各有優(yōu)點(diǎn)，天然聚合物生物相容性好，但對(duì)溫度等外界條件變化的抵抗力有限，合成聚合物的種類豐富且價(jià)格更低，但生物安全性值得考量，因此開發(fā)將兩者優(yōu)勢(shì)二合一的納米載體更具吸引力.

具有氧化還原能力的天然酶或類酶材料可以有效地對(duì)生物體內(nèi)的活性氧/氮物種進(jìn)行調(diào)控，在響應(yīng)性成像和疾病治療中有著重要的應(yīng)用價(jià)值.載酶納米體系的合理構(gòu)建是進(jìn)行生物診療應(yīng)用的關(guān)鍵.納米體系的尺寸通?？刂圃?00 nm以內(nèi)，這是因?yàn)樵摮叽绶秶鷥?nèi)的納米粒子比較容易遞送、滲透和在病變組織中積累，消除生物屏障的限制，延長(zhǎng)作用時(shí)間［88］.在載酶體系的組成成分上，通常選用生物相容性好的大分子（如細(xì)胞膜［89～91］、多糖［92，93］、蛋白［94～96］等）對(duì)其進(jìn)行修飾或包裹，這在降低生物毒性、保持酶活性的同時(shí)，也可以在一定程度上靶向病變組織，靶向因子的添加提高了載酶體系的治療效果.

2 成像檢測(cè)

2.1 超聲成像

超聲成像（Ultrasound imaging）具有方便、便宜、無(wú)電離輻射的特點(diǎn)［97］，是目前臨床上最常用的實(shí)時(shí)成像方式.亞微米級(jí)和納米級(jí)的氣泡能穿透腫瘤血管空隙，常被用作成像和治療的超聲造影劑［98，99］.利用酶催化產(chǎn)生氣泡用于超聲成像，可進(jìn)行病理部位特異性診療，目前，研究較多的是過(guò)氧化氫酶.

Olson等［100］將中空介孔二氧化硅殼懸浮在過(guò)氧化氫酶溶液中，制得一種粒徑約為200 nm的新型的中空酶負(fù)載納米球［圖5（A）］，在大鼠缺血性腎損傷模型中，過(guò)氧化氫酶將H2O2催化成水和O2，O2會(huì)使納米殼周圍的流體飽和，當(dāng)暴露于超聲波時(shí)，O2微氣泡從溶液中成核并被超聲波檢測(cè)和成像.單酶納米系統(tǒng)可能存在底物濃度低、成像效果差等問(wèn)題，利用級(jí)聯(lián)酶催化反應(yīng)可以改善超聲成像的效果.Wang等［65］開發(fā)了一種雙酶負(fù)載的多功能混合納米凝膠探針（SGC），該納米凝膠高效擔(dān)載了SOD和CAT，粒徑約為13 nm.SOD將超氧化物（O2·）轉(zhuǎn)化為H2O2和分子氧，隨后通過(guò)CAT將H2O2轉(zhuǎn)化為水和分子氧.氧氣（O2）的快速積累導(dǎo)致氣泡的形成，從而改變組織的聲阻抗并增強(qiáng)超聲成像，此外，凝膠晶格的存在也可確保酶充分利用病理組織中的活性氧，為超聲成像提供出色的對(duì)比度.體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，注射該探針后1 h，腫瘤的超聲成像信號(hào)增強(qiáng)約7倍［圖5（B）］.因此，該探針可用作高效的超聲成像造影劑.

Fig.5 Schematic diagram of ultrasound imaging

除了天然過(guò)氧化氫酶催化產(chǎn)生氧氣泡可用于超聲成像，許多具有過(guò)氧化氫酶活性的納米酶也被開發(fā)以豐富超聲成像的研究場(chǎng)景.Yang等［101］設(shè)計(jì)了一種基于普魯士藍(lán)納米顆粒（PBNPs）的O2納米發(fā)生器（粒徑為50 nm），利用普魯士藍(lán)的類過(guò)氧化物酶活性，可在過(guò)度產(chǎn)生自由基氧化劑的腫瘤組織中，與自由基氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生氧氣氣泡，從而改變經(jīng)歷氧化應(yīng)激的組織的聲阻抗，使其可以通過(guò)超聲成像被檢測(cè)到［圖5（C）］.Su等［102］用納米乳液自組裝法，制備了一種單原子Fe分散的氮摻雜介孔碳納米球（SAFe-NMCNs）雙酶模擬物，既可以模擬過(guò)氧化氫酶，產(chǎn)生的氧氣在腫瘤部位實(shí)現(xiàn)超聲成像，又可以模擬過(guò)氧化物酶，產(chǎn)生的·OH用于納米催化治療，同時(shí)在近紅外二區(qū)具有很強(qiáng)的光學(xué)吸收，可用于腫瘤光熱治療.

2.2 熒光成像

熒光成像（Fluorescence imaging）具有成本和輻射風(fēng)險(xiǎn)低、靈敏和分辨率高及成像捕獲實(shí)時(shí)等特點(diǎn)［103］，可適用于腫瘤診斷、代謝類疾病治療等領(lǐng)域.

腫瘤微環(huán)境的低pH、谷胱甘肽（GSH）的過(guò)表達(dá)和高水平的H2O2可以用作內(nèi)源性刺激以激活探針的熒光［104］.Zhao等［105］合成了負(fù)載有金納米酶團(tuán)簇和阿霉素（DOX）的銅離子摻雜ZIF-8（記作ACD），可用于腫瘤微環(huán)境激活熒光成像指導(dǎo)下的腫瘤化療和化學(xué)動(dòng)力療法（CDT）協(xié)同治療.ACD未被腫瘤細(xì)胞攝取時(shí)，由于聚集猝滅作用，DOX沒(méi)有熒光發(fā)射，金納米團(tuán)簇的熒光也被銅離子猝滅，此時(shí)沒(méi)有熒光產(chǎn)生.ACD進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，Cu2+與GSH競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，摻雜的ZIF-8殼逐漸降解，DOX和金納米團(tuán)簇被釋放，恢復(fù)獲得了腫瘤區(qū)域的熒光信號(hào)，可以進(jìn)行高信噪比的熒光成像.

利用腫瘤微環(huán)境的特點(diǎn)，還可以提高人工酶的活性，催化底物產(chǎn)生熒光.Di等［106］利用硫醇-馬來(lái)酰亞胺Michael加成反應(yīng)，將催化組氨酸殘基引入季戊四醇四（3-巰基丙酸酯）（PTT），獲得了PTT-SGH（絲氨酸-甘氨酸-組氨酸三肽）單體單元，之后通過(guò)細(xì)胞內(nèi)ROS介導(dǎo)的硫醇基團(tuán)氧化在細(xì)胞內(nèi)形成大聚集體PTT-SGH人造酶.由于腫瘤微環(huán)境中的ROS濃度較高，因此在腫瘤細(xì)胞中顯著促進(jìn)了該過(guò)程.通過(guò)交聯(lián)PTT-SGH的去質(zhì)子化，該人工酶的催化活性得到強(qiáng)化，顯示出典型的酯酶活性.該酶可以有效催化細(xì)胞內(nèi)籠狀熒光團(tuán)FN［熒光素二（4-硝基苯甲酸酯）］的酯鍵的裂解，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，以PTTSGH作為仿生酶、FN作為診斷成分，根據(jù)細(xì)胞內(nèi)ROS的不同濃度可以區(qū)分癌細(xì)胞和正常細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的選擇性熒光成像.

Qi等［59］提出了一種酶催化原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRPase）方法，構(gòu)建了一種金屬配位聚合納米凝膠（MPGs），同時(shí)表現(xiàn)出SOD和POD活性.考慮到腫瘤環(huán)境中超氧化物自由基水平相對(duì)較高，納米凝膠與熒光紅染料聯(lián)用，通過(guò)級(jí)聯(lián)反應(yīng)將腫瘤部位過(guò)量的超氧自由基轉(zhuǎn)化為H2O2，上調(diào)腫瘤部位的H2O2濃度，在荷瘤小鼠中成功實(shí)現(xiàn)了高效的ROS響應(yīng)生物熒光成像.

血清中葡萄糖和堿性磷酸酶（ALP）的異常水平與多種疾病密切相關(guān)［107］，Jin等［108］開發(fā)了兩種酶促途徑來(lái)制備具有等離子體和熒光特性的量子點(diǎn)（QD）/Au雜交納米探針，他們利用GOx和ALP分別制備了CdSe/ZnS@Au雜化納米顆粒，兩種酶的酶產(chǎn)物用作還原劑，控制QD表面的Au沉積.采用聚合物多層逐層組裝，調(diào)節(jié)QD芯與等離子體Au的分離，有效降低Au對(duì)量子點(diǎn)的猝滅效果.所制備的QD@Au雜交納米結(jié)構(gòu)是優(yōu)良的雙峰成像納米探針，并成功應(yīng)用于MCF-7細(xì)胞的熒光和暗場(chǎng)散射成像，據(jù)此開發(fā)的酶?jìng)鞲衅脚_(tái)對(duì)于葡萄糖和ALP相關(guān)疾病的診斷具有重要意義.

2.3 光聲成像

光聲成像（Photoacoustic imaging）結(jié)合了傳統(tǒng)光聲成像和超聲成像的優(yōu)勢(shì)，具有豐富對(duì)比度、高時(shí)空分辨率和深層組織穿透力等特點(diǎn)，在臨床中具有廣闊的應(yīng)用前景［109］.其具體原理是利用光聲效應(yīng)，組織結(jié)構(gòu)由于吸收光的能量產(chǎn)生了瞬時(shí)熱彈性膨脹，發(fā)出寬帶超聲波，該波可以被超聲傳感器檢測(cè)到并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚韽亩@得光聲圖像［110］.

過(guò)氧化物酶是一種氧化還原酶，能夠催化多種反應(yīng)，在光聲成像中具有廣泛應(yīng)用.Yang等［111］開發(fā)了一種負(fù)載HRP及光敏劑2，2-聯(lián)氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）的釓（Gd）納米顆粒，可用于腫瘤響應(yīng)性光聲成像［圖6（A）］.其中，HRP負(fù)載后保留有70%的酶活性，不僅作為仿生化學(xué)中的培養(yǎng)箱、穩(wěn)定劑和載體，而且可以作為催化劑催化負(fù)載底物（ABTS）和H2O2之間的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的ABTS自由基在近紅外波段有很強(qiáng)的吸收，從而可以實(shí)現(xiàn)在腫瘤部位選擇性高效光聲成像.毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)也表明，該納米顆?？梢酝ㄟ^(guò)腎臟清除，未發(fā)現(xiàn)明顯的毒性，可作為一種安全的光聲成像劑應(yīng)用.ABTS自由基是一種優(yōu)異光聲成像造影劑，受此啟發(fā)，Ding等［112］利用石墨烯量子點(diǎn)納米酶（GQDzyme）的固有過(guò)氧化物酶樣活性，設(shè)計(jì)了一種用于鼻咽癌檢測(cè)的H2O2響應(yīng)性納米酶囊泡.該納米酶囊泡由GQDzyme/ABTS納米顆粒組成，涂有葉酸（FA）靶向修飾的天然紅細(xì)胞膜（RM），仿生外泌體區(qū)室化策略，延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間，促進(jìn)腫瘤攝取.在GQDzyme的催化作用下，ABTS被氧化，體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，這種類似外泌體的納米酶囊泡在鼻咽癌中有效積累，并選擇性地觸發(fā)了對(duì)鼻咽癌的催化光聲成像.Xia等［60］原位構(gòu)建了一種穩(wěn)定的氨基酸配位金屬模擬酶基凝膠體系，集中了天然酶和無(wú)機(jī)納米酶的優(yōu)勢(shì)，得到了一種納米催化劑材料，實(shí)現(xiàn)了腫瘤催化診療研究，以表面修飾了羧基的納米硅球?yàn)閮?nèi)核，設(shè)計(jì)多肽（Nap-Phe-Phe-Glu）氨基酸配位鐵功能化單體［NapFFE-Fe（Lys）2］，基于酰胺反應(yīng)誘導(dǎo)質(zhì)子化，引發(fā)單體在硅球表面自組裝，形成一層氨基酸鐵多肽納米凝膠（SiO2@MCSGs）.該超分子納米凝膠具有模擬SOD和POD的活性，在負(fù)載了底物ABTS后，級(jí)聯(lián)催化腫瘤中較高濃度的超氧陰離子轉(zhuǎn)化過(guò)氧化氫，進(jìn)而氧化ABTS，最終實(shí)現(xiàn)腫瘤部位安全高效的光聲成像.

傳統(tǒng)的光聲成像窗口大都位于近紅外一區(qū)（NIR-Ⅰ，780～900 nm），這種成像組織穿透較淺且存在背景干擾，與之相比，近紅外二區(qū)（NIR-II，900～1700 nm）窗口的吸收可以改善穿透深度且減少光散射，實(shí)現(xiàn)更高分辨率的成像［113～115］.Zhang等［113］在陰離子囊泡（AOT）表面，利用HRP通過(guò)單電子氧化苯胺產(chǎn)生活性苯胺自由基，進(jìn)一步聚合形成PANI-ES，得到納米復(fù)合物PANI-ES@AOT［圖6（B）］.通過(guò)酶促反應(yīng)合成的PANI-ES@AOT在近紅外二區(qū)波段具有顯著的光熱能力，無(wú)需純化既可用作光聲成像引導(dǎo)腫瘤光熱治療.Wang等［116］將（NH4）6Mo7O24·4H2O和CuCl2在不同溫度下簡(jiǎn)單混合，“一鍋法”制成了一種基于多金屬氧酸鹽的多功能納米酶（Ox-POM@Cu）.該納米酶在腫瘤微環(huán)境中具有多重酶促活性，可參與腫瘤組織中GSH的氧化還原反應(yīng)，POM在NIR-Ⅱ有很強(qiáng)的吸收，所以通過(guò)NIR-Ⅱ照射可以激活光聲成像，提供腫瘤的準(zhǔn)確診斷，同時(shí)激活PTT進(jìn)行精準(zhǔn)治療.此外，納米酶中的Cu+可以與腫瘤微環(huán)境中的H2O2反應(yīng)形成·OH，從而進(jìn)行CDT.

此外，酶還可用于提高光聲探針的靈敏度，以獲得更優(yōu)異的成像結(jié)果.Wu等［117］開發(fā)了一種ROS敏感型納米酶增強(qiáng)光聲探針，并用于急性肝功能衰竭（ALF）的體內(nèi)成像，將酞菁鋅（ZnPc）和鈰納米酶（CeNZ）通過(guò)兩親性ROS敏感性二硒化物聚合物（DSeP）制備了探針，命名為RSPN，在血液循環(huán)過(guò)程中，ZnPc的多光譜光聲（PA）信號(hào)和CeNZ的催化活性保持“OFF”狀態(tài)，因?yàn)樗鼈儽Ａ粼谑杷诵膬?nèi)并屏蔽在水環(huán)境中.當(dāng)暴露于損傷肝臟富含ROS的微環(huán)境中時(shí)，DSeP殼的二硒鍵被ROS切割，導(dǎo)致RSPN的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化以及ZnPc和CeNZ的釋放.隨后，釋放的ZnPc由于分子間疏水相互作用和芳香族π-π堆疊效應(yīng)而重新生長(zhǎng)成大顆粒，作為光聲成像（PAI）的信號(hào)發(fā)生器模塊［圖6（C）］.釋放的CeNZ的催化活性得以恢復(fù)，進(jìn)一步將ROS催化成O2氣泡，通過(guò)氣泡觸發(fā)慣性空化效應(yīng)放大PA信號(hào)［118，119］.同時(shí)，受損肝臟組織的氧化和缺氧微環(huán)境被活化的CeNZ逆轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)ALF的及時(shí)納米催化治療.

Fig.6 Schematic illustration of enzyme complex for photoacoustic imaging

Lei等［120］設(shè)計(jì)了一種使用兩種酶來(lái)構(gòu)建可生物降解的環(huán)級(jí)聯(lián)催化系統(tǒng)（表示為PMNSG），由二維（2D）基于Pd的納米酶與GOx偶聯(lián)而成，可以利用三維（3D）PA分子成像來(lái)監(jiān)測(cè)基于雙酶驅(qū)動(dòng)的循環(huán)反應(yīng)平臺(tái)的體內(nèi)級(jí)聯(lián)催化療法.納米酶和GOx的組合可以誘導(dǎo)內(nèi)源性分子的PA信號(hào)變異.結(jié)合納米酶的

PA響應(yīng)，可以同時(shí)繪制與催化過(guò)程相關(guān)的動(dòng)態(tài)內(nèi)源和外源分子的3D PA信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)局部動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)非侵入性的可視化，同時(shí)為腫瘤的催化治療提供反饋.

2.4 磁共振成像

磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）是一種無(wú)電離輻射成像技術(shù)，對(duì)軟組織有具有亞毫米級(jí)的空間分辨率，MRI的組織穿透能力遠(yuǎn)高于熒光成像，是醫(yī)學(xué)成像中評(píng)估組織功能或診斷疾病的最佳無(wú)創(chuàng)方法之一.它具有出色的時(shí)空分辨率、成像的有效時(shí)間窗口長(zhǎng)、信號(hào)對(duì)比度細(xì)等幾個(gè)優(yōu)點(diǎn).然而，由于弛豫時(shí)間范圍有限，通常需要造影劑（CA）來(lái)增強(qiáng)MRI對(duì)比度.

靶向和成像模式整合到單個(gè)納米級(jí)復(fù)合物中成為未來(lái)納米治療學(xué)發(fā)展的新趨勢(shì)，許多金屬氧化物的納米結(jié)構(gòu)（如Mn，F(xiàn)e等）具有酶催化活性［9，121］，同時(shí)可作為磁共振成像的造影劑，準(zhǔn)確跟蹤腫瘤.Shen等［122］報(bào)道了一種線粒體靶向的磁熱納米酶（Ir@MnFe2O4NPs），可用于實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)和高度局部化的癌癥治療.具體而言，MnFe2O4NPs具有優(yōu)異的磁熱性能，銥（Ir）配合物在MnFe2O4NPs表面充當(dāng)線粒體靶向劑，線粒體內(nèi)過(guò)度表達(dá)的GHS將Ir@MnFe2O4NPs表面的Fe（III）還原為Fe（II），從而引發(fā)Fenton反應(yīng)，產(chǎn)生細(xì)胞毒性·OH.同時(shí)，當(dāng)暴露于交變磁場(chǎng)時(shí)，Ir@MnFe2O4NPs會(huì)引起局部高溫，進(jìn)一步提高Fe（III）向Fe（II）的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而加速了·OH生成，可引起細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)的破壞和治療效果的放大.體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該磁熱納米酶是一種出色的T2加權(quán)MRI造影劑，同時(shí)集成了化學(xué)動(dòng)力療法、磁熱療法和雙光子顯微鏡成像技術(shù)，為癌癥的精準(zhǔn)診療提供了一種途徑.類似的，Liu等［123］將晶體氧化鐵嵌入在氮摻雜的碳納米片中，得到一種協(xié)同腫瘤級(jí)聯(lián)治療的近紅外光觸發(fā)的納米酶IONCNs［圖7（A）］，IONCNs可以吸收980 nm的光，并轉(zhuǎn)化為局部熱量促進(jìn)癌細(xì)胞的熱消融及氧化鐵的溶解，在腫瘤的弱酸環(huán)境中產(chǎn)生Fe2+/Fe3+，一方面可以利用芬頓反應(yīng)產(chǎn)生·OH，另一方面可以促進(jìn)內(nèi)源性谷胱甘肽的消耗來(lái)放大氧化應(yīng)激，改善抗腫瘤性能，同時(shí)IONCN可用于通過(guò)磁共振成像直觀地跟蹤治療過(guò)程.

Fig.7 Nanocatalytic systems for MRI

相較于正常組織，腫瘤組織顯示出SOD水平降低，因此，Ragg等［124］提出可以利用MnO納米顆粒的超氧化物歧化酶活性，增強(qiáng)了MRI的成像效果.他們用兒茶酚-聚乙二醇對(duì)MnO納米顆粒進(jìn)行功能化修飾，當(dāng)暴露于超氧自由基時(shí)，其表現(xiàn)出基于延長(zhǎng)的T1和T2的強(qiáng)烈增強(qiáng)的MRI對(duì)比度，研究表明，MnO NPs可以同時(shí)用于治療氧化應(yīng)激促進(jìn)的腫瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移，或作為選擇性臨床MRI成像工具.

此外，為了提高納米酶的主動(dòng)靶向能力和免疫規(guī)避能力，還可以利用細(xì)胞膜的生物學(xué)特性［125，126］，合成細(xì)胞膜包被的納米酶.Huang等［127］將Au@Pd核、MnO2殼和NK-92細(xì)胞膜整合到一個(gè)納米平臺(tái)中（APMN NPs），該納米顆粒顯示了出色的腫瘤特異性和腫瘤微環(huán)境（TME）觸發(fā)的MR成像及藥物釋放特性.靜脈注射后，APMN NPs可以在正常脈管系統(tǒng)中保持隱秘和沉默，通過(guò)NK-92細(xì)胞膜介導(dǎo)的腫瘤靶向能力選擇性地在靶位積累，從而誘導(dǎo)TME響應(yīng)性MR成像和有效的多種協(xié)同抗腫瘤治療.

Wang等［128］提出了一種基于金屬有機(jī)骨架的多功能納米酶，可用于磁共振成像并原位生成內(nèi)源性氧氣，增強(qiáng)光動(dòng)力療法的治療效率.介孔二氧化硅涂覆錳鈷基MOF，在環(huán)境氣氛下進(jìn)行退火，去除介孔硅殼并用聚多巴胺和聚乙二醇改性提高生物相容性，之后負(fù)載光敏劑Ce6，顯示出T2加權(quán)磁共振成像能力，并用于其體內(nèi)跟蹤，MCOPP NE通過(guò)靜脈注射施用于4T1荷瘤小鼠.腫瘤部位的T2加權(quán)MR成像信號(hào)隨時(shí)間逐漸增加，通過(guò)增強(qiáng)實(shí)體瘤的高通透性和滯留（EPR）效應(yīng)表現(xiàn)出MCOPP NE的時(shí)間依賴性腫瘤積累.類似的，F(xiàn)eng等［129］實(shí)現(xiàn)了普魯士藍(lán)納米顆粒（PBNPs）的可控合成，探究了PBNPs的過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶活性，并發(fā)現(xiàn)其可用于T1加權(quán)磁共振成像.

如前所述，MRI造影劑已被封裝在納米顆粒中，以放大磁弛豫［130］，提高在腫瘤中的滲透和積累［131］，并用于治療診斷［132］.然而，用于神經(jīng)遞質(zhì)化學(xué)成像的納米級(jí)MRI造影劑的尚未廣泛開發(fā).Luo等［133］開發(fā)了一種納米粒子傳感平臺(tái)，用于活腦組織中的神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的磁共振成像.該傳感器由乙酰膽堿催化酶和釓（Gd）造影劑共同定位在聚合物納米顆粒表面組成，其成像機(jī)制為乙酰膽堿被酶水解為膽堿和乙酸，使得pH值局部降低，因此改變了pH敏感的釓螯合物水配位［134］［圖7（B）］，導(dǎo)致MRI信號(hào)變化.納米傳感器在大鼠內(nèi)側(cè)前額葉皮層中的體內(nèi)適用性顯示，由藥理刺激誘導(dǎo)的T1弛豫速率（1/T1）明顯增加.類似的響應(yīng)性傳感器的發(fā)展可有助于更好地理解大腦功能和疾病相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)事件.

3 疾病治療

3.1 腫瘤響應(yīng)性治療

癌癥對(duì)人類的生存和健康有著巨大的威脅［135，136］，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，酶催化納米材料為腫瘤治療提供了一種新型的臨床解決方案，具有應(yīng)用范圍廣、特異性強(qiáng)、安全性高和多模式協(xié)同治療等特點(diǎn).腫瘤特異性的微環(huán)境給予酶響應(yīng)治療極大的發(fā)揮空間，可施行饑餓治療、化學(xué)動(dòng)力療法（CDT）、光治療［光熱治療（PTT）/光動(dòng)力治療（PDT）］、磁熱治療（MHT）及酶動(dòng)力治療（EDT）等，在酶催化納米材料介導(dǎo)的腫瘤治療中，以上各種療法往往協(xié)同發(fā)揮作用，以發(fā)揮出比單一治療模式更強(qiáng)的治療效果.

饑餓療法是指利用酶消耗癌細(xì)胞中的氧氣和營(yíng)養(yǎng)，從而使癌細(xì)胞無(wú)法維持快速的生長(zhǎng)速度，在這個(gè)過(guò)程中被“餓死”［137］.GOx專門用于催化葡萄糖氧化，在此過(guò)程中會(huì)不斷地消耗腫瘤細(xì)胞中的葡萄糖和氧氣，是饑餓治療中常用的酶［138］.Zhang等［139］將GOx和化療藥物替拉帕胺（TPZ）加載到碳酸鈣納米顆粒上，并由透明質(zhì)酸進(jìn)一步連接.由于透明質(zhì)酸的主動(dòng)靶向和納米顆粒的被動(dòng)靶向作用，該納米系統(tǒng)可在腫瘤部位積累，GOx可以切斷癌細(xì)胞的葡萄糖供應(yīng)，進(jìn)行饑餓治療，同時(shí)造成腫瘤部位缺氧和酸度增加，碳酸鈣被水解，進(jìn)而觸發(fā)化療藥物的釋放，同時(shí)該化療藥物具有缺氧依賴性，因此能夠及時(shí)地展開化療.具有GOx活性的模擬酶同樣也可以用于饑餓治療.Tang等［140］利用一種新穎的濕化學(xué)和聲化學(xué)合成方法，開發(fā)了一種具有GOx活性的二維MnO2納米片，可用于癌細(xì)胞饑餓治療，同時(shí)，由于該納米片具有出色的光療性能，還可以進(jìn)行有效的光聲成像引導(dǎo)增強(qiáng)光熱治療，促進(jìn)癌細(xì)胞的消融［圖8（A）］.

化學(xué)動(dòng)力療法是利用芬頓或者類芬頓反應(yīng)，將癌細(xì)胞內(nèi)過(guò)表達(dá)的過(guò)氧化氫歧化為有高度毒性的羥基自由基，進(jìn)而可以通過(guò)破壞DNA，使蛋白質(zhì)失活并破壞磷脂膜誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡［141～143］.Wang等［144］設(shè)計(jì)了一種腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的智能納米系統(tǒng)［圖8（B）］，利用上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNP）作為載體，負(fù)載天然酶（GOx）和納米酶（Cu-Cys），在腫瘤微環(huán)境中可以通過(guò)酶級(jí)聯(lián)特異性激活，原位擴(kuò)增活性氧的生成，并用于腫瘤的饑餓/化學(xué)動(dòng)力學(xué)/免疫治療.在此過(guò)程中，GOx（GOx）一方面可以用于消耗葡萄糖進(jìn)行饑餓治療，另一方面可以產(chǎn)生H2O2以增強(qiáng)納米酶的化學(xué)動(dòng)力療法的治療效果.

光治療主要包括光動(dòng)力治療（PDT）和光熱治療（PTT），其共同特點(diǎn)是都需要外源光的照射.光熱療法是通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換將光能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)破壞異常細(xì)胞［145］，但局部溫度過(guò)高也可能會(huì)引起炎癥及外周組織病變［146］，因此開發(fā)在適宜溫度下的光熱療法對(duì)腫瘤治療具有重要意義.He等［147］用空心介孔二氧化硅負(fù)載TMB，GOx和HRP制備了多功能級(jí)聯(lián)納米反應(yīng)器，可以用于腫瘤饑餓和光熱協(xié)同治療.GOx消耗細(xì)胞中的葡萄糖進(jìn)行饑餓治療，同時(shí)調(diào)整熱休克蛋白的水平來(lái)降低熱電阻，之后HRP可以消耗H2O2并將TMB氧化成oxTMB，oxTMB是一種光熱劑，可以進(jìn)行光熱治療.體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均表明，該納米反應(yīng)器顯著抑制了腫瘤生長(zhǎng)，使實(shí)體瘤消融.

Fig.8 Enzyme-load nanocatalytic systems for cancer therapy

與光熱療法不同，光動(dòng)力療法是基于活性氧的產(chǎn)生來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞毒性作用，腫瘤內(nèi)光敏劑被光照射后激發(fā)，激發(fā)態(tài)的光敏劑可以參與電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生高活性的單線態(tài)氧或其它自由基，提高細(xì)胞內(nèi)的活性氧濃度從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性［148］.實(shí)體瘤的乏氧微環(huán)境限制了光動(dòng)力治療的效率，Zhou等［149］引入過(guò)氧化氫酶納米晶（Cat-Cry）作為原位氧生成系統(tǒng)，并加載光敏劑亞甲基藍(lán)（MB），顯著提高了腫瘤光動(dòng)力治療效果.具體而言，Cat-Cry可以催化內(nèi)源性H2O2分解，高效持續(xù)地產(chǎn)生O2供應(yīng)，同時(shí)，產(chǎn)生的O2與MB都被限制在Cat-Cry的納米多孔結(jié)構(gòu)中，由于限域效應(yīng)，可以大幅提高單線態(tài)氧的產(chǎn)生，增強(qiáng)光動(dòng)力治療效果.此外，級(jí)聯(lián)酶催化體系進(jìn)一步發(fā)展了光動(dòng)力療法，并可以結(jié)合化學(xué)動(dòng)力療法，對(duì)更深的腫瘤進(jìn)行治療.Qin等［150］設(shè)計(jì)了一種雜化納米凝膠系統(tǒng)（命名為FIGs-LC），將乳酸氧化酶（LOx）、CAT及光敏劑吲哚菁綠（ICG）整合到Fe3O4負(fù)載的雜化納米凝膠中.其中，乳酸氧化酶可以催化腫瘤組織中過(guò)量的乳酸鹽底物產(chǎn)生H2O2，同內(nèi)源性H2O2一起，被CAT催化產(chǎn)生穩(wěn)定的O2納米氣泡，O2在808 nm激光的照射下，接受來(lái)自相鄰激發(fā)態(tài)ICG的能量，轉(zhuǎn)化為單線態(tài)氧，進(jìn)行光動(dòng)力治療.同時(shí)，該納米系統(tǒng)還可以進(jìn)行芬頓反應(yīng)原位產(chǎn)生羥基自由基，進(jìn)行化學(xué)動(dòng)力治療［圖8（C）］.體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該納米系統(tǒng)可作為藥物被動(dòng)靶向腫瘤進(jìn)行治療.

磁熱治療是磁性納米顆粒將外部磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)而消融腫瘤細(xì)胞的方法.由于磁場(chǎng)巨大的組織穿透能力，MHT可以治療較深深度的腫瘤.磁熱治療需要磁熱轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異的納米材料，且目前的研究通常利用材料本身類酶活性或負(fù)載天然酶，協(xié)同其它治療方式進(jìn)行腫瘤的聯(lián)合治療.Ying等［151］將含有Fe2+的中空磁性氧化鐵（HIONCs）刻蝕并包封GOx，構(gòu)建了集饑餓-化學(xué)動(dòng)力學(xué)-磁熱3種治療方法于一體的納米系統(tǒng).HIONCs具有過(guò)氧化氫酶活性，可以補(bǔ)充GOx在饑餓治療中消耗的氧氣，同時(shí)HIONCs存在的Fe2+可以進(jìn)行芬頓反應(yīng)促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生，進(jìn)行化學(xué)動(dòng)力治療誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡.磁性氧化鐵固有的磁熱轉(zhuǎn)換性能在外加磁場(chǎng)的作用下可使局部溫度升高，進(jìn)行磁熱治療，并進(jìn)一步增強(qiáng)了芬頓效應(yīng).

除了以上治療策略，Wang等［66，87］還創(chuàng)新性地提出了一種新的癌癥治療方法——酶動(dòng)力療法（EDT）.它是指充分利用腫瘤區(qū)域的酶催化反應(yīng)，可控產(chǎn)生高細(xì)胞毒性的單線態(tài)氧來(lái)治療癌癥.Wu等［66］在Fe3O4表面通過(guò)酶切界面自組裝形成了超分子納米凝膠，并負(fù)載了SOD和氯過(guò)氧化物酶（CPO），在沒(méi)有施加外部能量的情況下，可高效產(chǎn)生單線態(tài)氧治療癌癥［圖8（D）］.體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均表明，該級(jí)聯(lián)酶系統(tǒng)能夠在腫瘤組織產(chǎn)生單線態(tài)氧，有效地誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡.此外，該級(jí)聯(lián)反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生O2，可用于超聲成像，實(shí)現(xiàn)診療一體化.在此研究基礎(chǔ)上，Zhang等［87］結(jié)合了物理和生化方法，在磁性納米粒子（MNPs）表面包覆凝膠層并負(fù)載CPO，模擬先天免疫系統(tǒng)中的中性粒細(xì)胞來(lái)調(diào)控細(xì)胞命運(yùn).當(dāng)該材料進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，由于MNPs具有磁熱效應(yīng)，外界施加磁場(chǎng)時(shí)，腫瘤細(xì)胞的溫度會(huì)升高，進(jìn)而激活氧化應(yīng)激反應(yīng)，提高H2O2水平，此時(shí)凝膠層中負(fù)載的CPO可將H2O2持續(xù)轉(zhuǎn)化為單線態(tài)氧，用于腫瘤治療［圖8（E）］.研究發(fā)現(xiàn)在程序化交變磁場(chǎng)的作用下，腫瘤細(xì)胞內(nèi)的H2O2和單線態(tài)氧均呈逐步增加的趨勢(shì)，表明該系統(tǒng)兼具物理可激活性和酶催化可持續(xù)性，為時(shí)空調(diào)控治療深層腫瘤提供了一種新方法.

3.2 慢性疾病治療

高尿酸血癥是一種由嘌呤代謝異常及不良生活方式等因素引起的疾病，是痛風(fēng)的重要誘因［152，153］.尿酸氧化酶可以催化尿酸氧化成易溶的尿囊酸，降低血清尿酸水平并抑制尿酸晶體的產(chǎn)生和沉積［154］，目前已經(jīng)開發(fā)了一系列基于尿酸酶的療法來(lái)作為治療高尿酸血癥以緩解痛風(fēng)的新興策略.Xiong等［155］開發(fā)了一種納米膠囊組裝體，利用多個(gè)納米膠囊負(fù)載尿酸氧化酶，顯示出比游離尿酸酶更優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，可以有效地降低尿酸.值得注意的是，尿酸酶氧化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H2O2，H2O2的積累會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激及關(guān)節(jié)損傷等問(wèn)題，所以利用級(jí)聯(lián)反應(yīng)來(lái)依次消除尿酸和H2O2可以達(dá)到更好的治療效果.Ming等［156］將Pd-Ru納米酶、尿酸酶和紅細(xì)胞膜進(jìn)行集成，制備了一種用于高尿酸血癥治療的串聯(lián)納米反應(yīng)器.該納米反應(yīng)器能利用尿酸酶將尿酸有效降解為尿囊素和H2O2，并利用具有CAT活性的Pd-Ru納米片清除H2O2.更重要的是，H2O2被分解之后可以產(chǎn)生O2，反過(guò)來(lái)可以促進(jìn)尿酸的的催化氧化.細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均表明，該納米反應(yīng)器具有生物安全性及較長(zhǎng)的血液循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)高效的高尿酸血癥治療.Lin等［157］研究了Pt及其它鉑族元素的尿酸酶活性和CAT酶活性，基于尿酸溶解的自級(jí)聯(lián)催化效果，篩選出效果最好的Pt/CeO2納米酶進(jìn)行痛風(fēng)的模擬酶治療［圖9（A）］.

Fig.9 Enzyme-load nanocatalytic systems for chronic diseases treatment

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝紊亂［158］，若未及時(shí)干預(yù)治療，會(huì)引起心血管疾病、視網(wǎng)膜病變、肝腎臟疾病及神經(jīng)系統(tǒng)疾病等多種并發(fā)癥［159～162］，因此，糖尿病標(biāo)記物的檢測(cè)和安全有效地響應(yīng)性治療對(duì)于人的健康管理十分重要.目前，胰島素給藥仍是治療糖尿病的主要手段.在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)胰島素的可控釋放系統(tǒng)至關(guān)重要.GOx具有優(yōu)異的葡萄糖響應(yīng)能力，因此很多研究將GOx與pH敏感材料相結(jié)合用于胰島素可控釋放系統(tǒng)的制備［163］.Zhang等［164］用pH敏感的MOF封裝GOx和胰島素，當(dāng)葡萄糖進(jìn)入MOF空腔后，可以被GOx催化產(chǎn)生葡萄糖酸使pH值降低，進(jìn)而引起MOF的降解，同時(shí)釋放胰島素進(jìn)行血糖調(diào)節(jié)，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以使患Ⅰ型糖尿病的小鼠維持72 h的血糖正常水平.Li等［165］用pH敏感的多肽水凝膠基質(zhì)負(fù)載GOx、CAT和胰島素，用于胰島素的可控釋放，CAT還可以對(duì)GOx催化葡萄糖產(chǎn)生的副產(chǎn)物H2O2進(jìn)行降解，同時(shí)提供GOx催化過(guò)程中所需的氧氣.Fu等［166］則基于酶氧化方案制備了一種核殼結(jié)構(gòu)的胰島素可控遞送納米平臺(tái)，以乙氧基縮醛衍生化的葡聚糖納米顆粒作為內(nèi)核，同時(shí)負(fù)載胰島素及GOx和CAT，以紅細(xì)胞膜衍生的囊泡作為外殼.其中，外殼上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有血糖感知能力，促進(jìn)葡萄糖的向內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，激活內(nèi)部GOx的催化反應(yīng)，觸發(fā)內(nèi)核的降解行為及胰島素的釋放.值得注意的是，該平臺(tái)集成了葡萄糖傳感模塊和胰島素釋放模塊，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)響應(yīng)治療.

像肥胖、高血糖等此類能量代謝問(wèn)題可以增加心血管病、腸胃道疾病和腎病的風(fēng)險(xiǎn)，酶納米體系也有助于解決此類疾病.NO在很多病理和生理過(guò)程中起著重要的調(diào)節(jié)作用，可以保護(hù)心血管系統(tǒng)免受損傷［167］，Li等［168］開發(fā)了一種由介孔SiO2殼包裹的Au納米棒，經(jīng)探究，該材料具有3種酶（還原型輔酶Ⅱ氧化酶、超氧化物歧化酶和一氧化氮合酶）的活性［圖9（B）］，可以將L-Arg轉(zhuǎn)化為NO，用于持續(xù)可控遞送NO實(shí)現(xiàn)心血管疾病的治療和預(yù)防.在腸病治療方面，Liu等［71］開發(fā)了一種由Mn基MOF和Pt納米顆粒組成的級(jí)聯(lián)納米酶體系，該納米酶可以表達(dá)SOD和CAT兩種酶活性，可以有效緩解炎癥型腸病.在該ROS清除系統(tǒng)中，兩種類酶具有空間上分離的活性位點(diǎn)，同時(shí)又集成在同一個(gè)納米酶中，動(dòng)力學(xué)分析表明，這種納米鄰近效應(yīng)大大提高了級(jí)聯(lián)反應(yīng)的效率，體外實(shí)驗(yàn)和炎癥動(dòng)物模型均證明，該體系具有ROS清除能力，有望用于體內(nèi)抗炎治療.

藥物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程也容易引起體內(nèi)器官的病變，尤其是肝臟、腎臟部位的活性氧積累.酶納米催化體系在此類疾病治療領(lǐng)域也嶄露頭角.如常見(jiàn)的鎮(zhèn)痛藥乙酰氨基酚攝入過(guò)量則會(huì)消耗肝臟中的谷胱甘肽，進(jìn)而代謝產(chǎn)生過(guò)量的活性氧，導(dǎo)致肝細(xì)胞壞死［169］.Li等［170］利用反膠束方法制備了鈰納米顆粒，并進(jìn)行了改性，且進(jìn)一步評(píng)估了該納米酶的CAT和SOD酶活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該納米酶比乙酰半胱氨酸具有更長(zhǎng)的治療時(shí)間窗口，在清除活性氧的同時(shí)具有抗炎作用，為藥物誘導(dǎo)的肝損傷臨床晚期治療提供新的視角.順鉑類藥物也容易引起腎損傷［171］，Zhang等［172］制備了一種由聚乙烯吡咯烷酮修飾的超小型銥納米顆粒，平均粒徑為1～2 nm，同時(shí)具有CAT，POD和SOD 3種酶活性，可以在腎臟部位高度富集并發(fā)揮清除活性氧的功效，從而降低細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激損傷的敏感性.此外該種納米酶的尺寸低于腎臟的過(guò)濾閾值［173］，使其能夠通過(guò)尿液排出，具有良好的生物安全性，證明該酶有臨床治療的轉(zhuǎn)化潛力.類似的，Liu等［174］也開發(fā)了超小型RuO2納米酶并用作急性腎損傷治療［圖9（C）］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該納米酶可以有效清除活性氧，維持細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡.

此外，神經(jīng)系統(tǒng)疾病作為一種侵害公共健康的慢性疾病，與多胺代謝的失調(diào)密切相關(guān)［175］，近年來(lái)也備受關(guān)注.酶納米體系在治療此類疾病方面也顯示出了巨大潛力.與前述疾病治療機(jī)制類似，主要通過(guò)減輕氧化應(yīng)激來(lái)保護(hù)細(xì)胞免受損失以緩解疾病.Feng等［176］詳細(xì)探究了V2C的多酶（SOD，CAT，POD，HPO，TPx，GPx）模擬活性及相關(guān)抗氧化機(jī)制，評(píng)估了該酶的體內(nèi)毒性和抗炎作用，并用該酶對(duì)帕金森病小鼠進(jìn)行處理，探索其治療效果.結(jié)果表明，該酶具有優(yōu)異的抗炎作用，并能顯著保護(hù)小鼠免受神經(jīng)毒性損害.Ma等［177］制備了一種介孔普魯士藍(lán)納米酶，發(fā)現(xiàn)其對(duì)·OH，·O2-和H2O2具有明顯的清除作用，進(jìn)而可以抑制炎癥小體活化，并減輕外源性誘導(dǎo)的線粒體功能障礙，從而抑制神經(jīng)元的焦亡，但具體機(jī)制尚未研究清晰.Feng等［89］也進(jìn)行了基于普魯士藍(lán)的多酶催化活性在保護(hù)神經(jīng)元方面的探究，并使用中性粒細(xì)胞樣膜包裹，提高了納米顆粒靶向遞送到受損大腦的效率，拓寬了納米酶治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的應(yīng)用.

盡管目前納米酶在疾病治療領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，但要實(shí)現(xiàn)真正的臨床轉(zhuǎn)化，仍面臨著很多挑戰(zhàn)，疾病的發(fā)病機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，需要醫(yī)學(xué)、工科及理學(xué)多學(xué)科研究者的共同努力.

4 總結(jié)與展望

近年來(lái)，構(gòu)建仿生細(xì)胞結(jié)構(gòu)的載酶催化納米材料得到了廣泛的開發(fā)和利用，由于其高效的催化活性、出色的光/磁-熱轉(zhuǎn)換性能、靈敏的環(huán)境響應(yīng)性和特異的靶向能力，在生物成像和疾病治療領(lǐng)域潛力巨大.本文對(duì)氧化還原酶納米體系在疾病診療方面的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，從酶的催化過(guò)程出發(fā)，推進(jìn)到酶納米體系的構(gòu)建，隨后著重討論了近幾年酶催化納米材料在響應(yīng)性成像和疾病治療方面的具體應(yīng)用.

雖然酶催化納米材料在疾病診療領(lǐng)域的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但其仍面臨諸多挑戰(zhàn)：（1）酶學(xué)理論尚不完善.天然酶的催化機(jī)制已被廣泛研究，但很多模擬酶的催化機(jī)制、電子轉(zhuǎn)移等并未深入探討，目前也未形成一個(gè)完整的理論體系；（2）酶與納米載體的構(gòu)效關(guān)系尚不明確.目前的研究多關(guān)注于材料的構(gòu)建和功能表現(xiàn)，而酶納米系統(tǒng)的研究是個(gè)“黑盒”，內(nèi)部成分互相作用的客觀規(guī)律有待進(jìn)一步探究；（3）酶納米系統(tǒng)的生物效應(yīng)仍待進(jìn)一步評(píng)估.該類體系進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的穩(wěn)定性和生物安全性需要進(jìn)一步研究，尤其是涉及模擬多酶的體系，如何進(jìn)行材料設(shè)計(jì)調(diào)控酶的活性，使其特異性表達(dá)，如何規(guī)范合成策略使其規(guī)?；瘧?yīng)用，這些問(wèn)題的解決對(duì)真正實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用具有重大意義.