鐵基納米酶的分類和應(yīng)用*

張宇驕，黃 珊,2，常愛敏，冶常明，蔡建健，張春煥，高巍偉

（1.青島科技大學(xué)，山東 青島 266042；2.徐州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院，江蘇 徐州 221000；3.烏蘇市人民醫(yī)院，新疆 烏蘇 833000；4.張家口市第二醫(yī)院，河北 張家口 075000；5.濱州市無棣縣馬山子鎮(zhèn)中心衛(wèi)生院，山東 濱州 251907）

天然酶是生物進(jìn)化的杰出作品，可以有效的催化反應(yīng)的進(jìn)行，同時可以誘導(dǎo)生物體內(nèi)絕大部分的生化反應(yīng)。由于其具有售價昂貴、制備提純繁瑣、穩(wěn)定性差、回收重復(fù)利用性差等缺點(diǎn)，天然酶在實(shí)際應(yīng)用中受到較大的限制。我國科學(xué)家閻錫蘊(yùn)等[1]在2007 年發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米顆粒本身存在類似過氧化物酶的催化活性。納米酶可以模擬天然酶的生物催化效應(yīng)，又可以克服天然酶的在實(shí)際應(yīng)用方面的缺點(diǎn)。鐵基納米酶作為最早被發(fā)現(xiàn)和報道的納米酶引起了研究者們的廣泛關(guān)注，其具有低毒性、制取技術(shù)簡便、成本低廉、穩(wěn)定性高和性能可控等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 研究背景

1.1 天然酶

天然酶是一種對底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)、RNA 或其復(fù)合體。不同于一般催化劑，天然酶具有高效的催化活性、選擇性強(qiáng)和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于疾病診斷、臨床治療、生物傳感以及環(huán)境等領(lǐng)域[2-3]。由于天然酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，在高溫、強(qiáng)酸或強(qiáng)堿等非生理?xiàng)l件下，天然酶極易受到破壞且在生物體內(nèi)的含量非常低，所以天然酶的價格高昂、制備提純繁瑣。

天然酶的制備提純繁瑣、穩(wěn)定性差、回收重復(fù)利用性差等弊端極大影響了其在生物醫(yī)學(xué)、食品安全以及環(huán)境等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。所以模擬天然酶不但有著重大的科學(xué)價值，同時具有巨大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

1.2 納米酶的發(fā)現(xiàn)

納米酶的發(fā)現(xiàn)是基于無機(jī)材料在納米尺寸（1～100 nm） 展現(xiàn)出的與其宏觀尺寸完全不同的新的酶學(xué)特性[4]。

納米酶不但可以在相對溫和的生理?xiàng)l件下高效催化酶的底物，也可以作為酶的替代品應(yīng)用到疾病診斷和治療等領(lǐng)域[5]。納米酶的發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)意義上的“無機(jī)”與“有機(jī)”的界限，揭示了納米材料內(nèi)在的生物效應(yīng)及新特性，豐富了模擬酶的研究，也大大拓展了納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。

1.3 納米酶與天然酶的比較

納米酶不同于天然酶，也不同于化學(xué)催化劑和傳統(tǒng)的有機(jī)小分子模擬酶，是一類獨(dú)特的催化劑。它與天然酶的區(qū)別在于，天然酶是生物催化劑，蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)賦予其催化活性高和選擇性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時也有易受環(huán)境影響、工業(yè)化生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。納米酶作為一類新型催化劑，其催化活性來源于納米材料的納米效應(yīng)，催化效率遠(yuǎn)高于金屬離子或有機(jī)小分子等無機(jī)催化劑，某些納米酶的催化能力接近或超越天然酶。納米酶結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，不僅能夠在溫和的生理?xiàng)l件下催化，也能夠在極端環(huán)境中催化。

綜上所述，這種兼具納米材料特性和催化功能的模擬酶，具有高催化效率、高安全性、價廉易得、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在離子、分子和有機(jī)物檢測、抗耐藥細(xì)菌、疾病治療等方面應(yīng)用前景十分廣闊。

1.4 鐵基納米材料

鐵基納米酶可分為鐵基金屬納米材料、鐵基氧化物納米材料、鐵基硫化物納米材料、鐵基有機(jī)框架納米材料等。其中基于Fe2O3的納米材料的磁學(xué)性質(zhì)已廣為人知，目前研究者對其酶學(xué)性質(zhì)的了解也日益加深。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多種類的鐵基納米材料被發(fā)現(xiàn)，鐵基納米酶應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓寬。

2 常見的鐵基納米酶分類

2.1 鐵基雙金屬納米材料

目前報道較多的鐵基雙金屬納米材料有Fe-Co雙金屬納米酶（Fe-Co NPs），與單一金屬納米粒子相比具有更好的POD 活性[6]；Fe-Cu 雙金屬氮摻雜的納米材料（Fe-Cu-N-CNF NPs），其制備成本低、簡單環(huán)保并且在藥物分析、葡萄糖檢測中有著良好應(yīng)用前景[7]；Fe-Pt 納米磁性多孔材料，在磁性分離技術(shù)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，在免疫檢測、提純等方面前景廣闊[8]；FeNi3納米材料，具有良好的生物相容性，在診療一體化中有重要應(yīng)用[9]。鐵基金屬納米材料在檢測、催化和生物醫(yī)學(xué)等方面取得了良好的應(yīng)用，未來有望開發(fā)新的用途。

2.2 鐵基氧化物納米材料

鐵基氧化物納米材料多種多樣，目前見于報端的有α/β/γ-Fe2O3、Fe3O4、MFe2O4(M 為金屬元素)、FeO、α/β/γ/δ-FeOOH 等[10]。其中報道較多的是Fe3O4納米粒子。通過其表面的Fe2+/Fe3+之間的相互轉(zhuǎn)化，保證了其高效的納米酶催化活性，還具有合成尺寸可控、活性高、毒性低等優(yōu)點(diǎn)。Fe3O4納米材料涉及到人們生產(chǎn)和生活中的各個方面，在生物、醫(yī)療、能源、環(huán)保等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。Fe2O3納米粒子具有磁性、催化活性等獨(dú)特的理化性質(zhì)和合成簡單、抗腐蝕能力強(qiáng)、環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，在光催化、鋰離子電池、超級電容器等方面有著廣泛的應(yīng)用。

2.3 鐵基硫化物納米材料

鐵硫納米材料具有非常重要的用途，尤其是鐵硫團(tuán)簇，在生物體內(nèi)的電子傳遞，底物的結(jié)合與激活等方面起著關(guān)鍵作用，并且在污水處理、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。目前報道較多的有FeS2、Fe3S4、Fe7S8等鐵硫納米材料，其中FeS2納米材料在空氣中不易被氧化，在太陽能電池領(lǐng)域得到應(yīng)用；Fe3S4、Fe7S8納米材料具備鐵磁性或是超磁性，磁性受到多種參數(shù)的影響，包括制備方法、元素比例、物質(zhì)的尺寸大小、形狀、結(jié)晶性以及晶體缺陷。并且Fe7S8納米材料的電輸運(yùn)性能優(yōu)于Fe3S4納米材料，是很好的半導(dǎo)體材料[11]。鐵硫納米材料根據(jù)不同的應(yīng)用衍生出多種合成方法，例如水熱法、溶劑熱法、電化學(xué)法、熱分解法等[12]。

2.4 鐵基有機(jī)框架納米材料

鐵基金屬有機(jī)框架納米材料（Fe-MOF） 不僅具有一般MOF 的特點(diǎn)還存在穩(wěn)定的Fe-O 鍵，所以Fe-MOF 具有非常優(yōu)異的化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[13]，有著價格低廉、資源豐富、毒性低、結(jié)構(gòu)多樣性、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，在分子傳感、催化、生物醫(yī)藥儲能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Fe-MOF 是以鐵為金屬陽離子，再和有機(jī)配體通過配位聚合的方式所得的化合物，目前報道的Fe-MOF 材料有MIL、MOF-n、CID、PCN 等系列，常見的的合成方法有溶劑熱法和微波輻射法加熱法。

2.5 其他鐵基納米材料

納米零價鐵材料（nZVI） 是一種化學(xué)還原性很強(qiáng)的還原劑，因其特有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，從而具有優(yōu)越的吸附性能和很高的還原活性。不止鐵基氧化物、硫化物納米材料，其他雜原子與鐵的化合物納米材料也被證明具有模擬酶活性。例如FeTe 納米棒[14]和Fe3C 納米材料[15]。

3 鐵基納米酶的應(yīng)用

3.1 抗菌作用

在世界范圍內(nèi)，由細(xì)菌感染引起的疾病是影響人類健康的重大難題之一，每年約有70 萬人死于抗藥性細(xì)菌引發(fā)的感染[16]，細(xì)菌感染是對人類生命健康的重大威脅。納米技術(shù)的加速發(fā)展，為抗感染研究開辟了道路，具有天然酶活性的納米材料為開發(fā)新的抗菌途徑提供了機(jī)會。廖姿楊團(tuán)隊將磷酸鐵納米酶和水凝膠構(gòu)成體系（FePO4HG），在H2O2的輔助下對MRSA 和AREC 表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌能力，以低細(xì)胞毒性快速細(xì)菌死亡，且不產(chǎn)生耐藥性[17]。Fe2O3納米顆粒通過物理接觸和穿透作用，以及與細(xì)菌表面官能團(tuán)的分子尺度相互作用，可以特異性靶向并殺死革蘭氏陽性細(xì)菌，如金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌[18]。Fe 和Fe-Cu NPs 因獨(dú)特的納米級表面反應(yīng)性和磁性，成為環(huán)境應(yīng)用中處理細(xì)菌的良好候選材料[19]。Fex-1S 納米片暴露于H2O2和空氣中時，細(xì)菌中的ROS 增強(qiáng),對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和糞腸球菌等具有良好的殺菌效果[20]。

3.2 腫瘤治療

癌癥是全球第二大死因，腫瘤治療技術(shù)與人類的生命和健康密切相關(guān)。在過去幾十年中，納米技術(shù)在腫瘤的治療和診斷方面取得了巨大進(jìn)展。鐵基納米酶具有pH 敏感的過氧化物和過氧化氫模擬酶活性并且具有極低的細(xì)胞毒性，在增加細(xì)胞內(nèi)雙氧水濃度磷酸鐵納米酶過氧化物模擬酶性質(zhì)顯著，表現(xiàn)為細(xì)胞嚴(yán)重凋亡和壞死，毒性低，顯著抑制腫瘤增長，腫瘤體積抑制率高[21]。XIE C K 等[22]制備的FeS@BSA 納米團(tuán)簇可以通過釋放Fe2+和硫化氫氣體（H2S） 來抑制肝細(xì)胞癌（Huh7） 細(xì)胞。HUANG C Y等[23]將FeS2包裹在癌細(xì)胞源性外泌體（CDE） 中，通過催化治療和輻射致敏達(dá)到協(xié)同治療腫瘤的目的。MA X W 等[24]報道了多功能Janus 納米顆粒（Fe3O4-Pd JNPs），集成了超小Fe3O4和Pd 納米片用于乳腺癌治療。

3.3 成像

成像不僅大量應(yīng)用在醫(yī)學(xué)范疇，在工業(yè)領(lǐng)域、植物領(lǐng)域，在有機(jī)化學(xué)分析中的應(yīng)用也是不可或缺的。鐵基納米酶由于含有鐵元素和酶的催化性質(zhì)，可以用于MRI 成像[25]，并且基于鐵基納米酶的催化性質(zhì)，可以產(chǎn)生具有顏色、熒光的產(chǎn)物，這一獨(dú)特的性質(zhì)也可以進(jìn)行成像。成像和納米技術(shù)的融合更好地了解基礎(chǔ)生物學(xué)，監(jiān)測健康，進(jìn)行診斷和治療疾病提供了新的機(jī)會，在其他領(lǐng)域也有著更廣泛的應(yīng)用前景。

3.4 環(huán)境監(jiān)測與廢水處理

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，一些含染料、難降解污染物、乳液等的有機(jī)廢水大量排放，對生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的破壞。鐵基納米酶具有過氧化物酶活性，產(chǎn)生的ROS 可用于檢測和降解廢水中的污染物并且可利用自身固有的磁性實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，極大降低了廢水處理的成本[26]，某些重金屬離子會影響納米酶的催化活性，因此鐵基納米酶同樣可以廣泛的用于有毒污染物方面的檢測。nZVI 也會引發(fā)污染物的氧化降解,特別是有機(jī)磷酸鹽和有機(jī)硫化物等化合物[27]。

3.5 分析檢測

大多具有類過氧化物酶活性的納米材料均可實(shí)現(xiàn)對過氧化氫和葡萄糖的檢測。葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx） 和氧氣的共用作用下分解產(chǎn)生過氧化氫[28]，在H2O2存在時，鐵基納米酶能夠催化氧化TMB，通過檢測氧化產(chǎn)物oxTMB 在400～800 nm波長處的吸光度，即可對葡萄糖和H2O2定量。H2O2和葡萄糖的檢測在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)和食品工業(yè)等許多領(lǐng)域都具有重要意義。鐵基納米酶還可以用于構(gòu)建熒光生物傳感器，SONG C 等[29]制備了FeS@CNs，通過oxAR 法檢測熒光信號也能檢測H2O2含量，檢出限為0.86 M。Zhang L N 等[30]制備的FeS2-AuNPs 模擬酶，有效降低電活性材料NiHCFNPs 的差分脈沖伏安（DPV） 信號，用于超靈敏檢測α-胎蛋白（AFP）。

4 結(jié)論和展望

鐵基納米酶作為天然酶的替代物，具有高效催化作用的同時還有低毒性、制取技術(shù)簡便、成本低廉、穩(wěn)定性高和性能可控等優(yōu)點(diǎn)，在各種領(lǐng)域的應(yīng)用中都表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和良好的效果。對鐵基納米酶的研究還存在以下挑戰(zhàn)。一是鐵基納米酶的活性及催化靈敏度有待進(jìn)一步優(yōu)化，催化反應(yīng)的特異性不如天然酶；二是鐵基納米酶能夠殺滅的細(xì)菌種類有限，抗菌譜有待進(jìn)一步擴(kuò)寬；三是鐵基納米酶在病毒方面的應(yīng)用有待挖掘；四是鐵基納米酶抗菌的確切機(jī)制尚未完全闡明，通過發(fā)揮類酶活性產(chǎn)生ROS 殺滅細(xì)菌或病毒的機(jī)制并不具有特異性，只有對機(jī)制有了清晰的認(rèn)知，才能拓寬磷鐵基在抗菌中的應(yīng)用；五是鐵基納米酶用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，其生物安全性是一個不容忽視的問題[31]；六是鐵基納米酶如何在環(huán)境友好條件下實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化生產(chǎn)，也是未來我們需要探討的問題。