它 為何可以是2022年度化學領域十大新興技術

近日，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）公布了“2022年度化學領域十大新興技術(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名單（網址：https://iupac.org/what-we-do/top-ten/）。此次“化學領域十大新興技術”評選由IUPAC于2019年發起，旨在發現、鼓勵能夠改變能源、衛生和材料領域的世界頂尖創新成果，以應對最緊迫的社會挑戰，促進世界可持續發展。

IUPAC評價“納米酶是一種結合自然和人工催化的力量，它在穩定性、可回收性和成本方面具有多種優勢。與僅在特定的溫度和pH范圍內起作用的天然酶不同，納米酶能夠承受惡劣的條件并允許持久、安全和穩定的儲存。”納米酶，是一類能夠在溫和或極端條件下催化酶的底物并遵循酶動力學（如米氏方程）將其轉化為產物的納米材料。納米酶是中國科學家提出的新概念，已經被納入教科書和百科全書。相比于天然酶，納米酶是納米材料在實驗室中經歷過一系列相應的功能性改造后的人工定制產物，具有更好的穩定性，多功能性，以及更低廉的價格，在催化、診斷、治療、傳感等方面有很好的應用前景。

編者為您精選2022年以來納米酶領域中發表的優秀工作。人工統計，如有遺漏，請在留言區指出。

1、中南大學ACS Nano：可雙重調節腫瘤微環境的級聯納米酶

中南大學的劉又年教授和鄧留副教授等人設計發展了一種多功能平臺（HABT-C@HA），首先將均一的空心白色二氧化鈦作為前驅體由硼氫化鈉進行還原得到黑色的二氧化鈦，再在該材料表面先后合成和修飾金納米顆粒、碳點和透明質酸。研究表明，HABT-C@HA具有內生性的多酶（葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶）仿生活性，可作為自級聯納米酶循環產生氧氣和活性氧ROS用于聲動力學治療以實現逆轉腫瘤免疫抑制微環境和緩解腫瘤微環境中的缺氧，為實現高效抗癌提供了新的思路。相關研究成果以“A Cascade Nanozyme with Amplified Sonodynamic Therapeutic Effects through Comodulation of Hypoxia and Immunosuppression against Cancer”為題發表于ACS Nano雜志上。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c07504

2、Angew. Chem. Int. Ed.：單原子酶用于腫瘤催化治療

中國科學院國家納米科學中心陳春英研究員、楊蓉研究員和蔡雙飛副研究員共同研發了一種通過Co單原子納米酶啟動級聯酶促反應進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和Co-N配位結構等優勢。在級聯催化反應中，它首先發揮類似過氧化氫酶（CAT）活性，將腫瘤細胞內源性H₂O₂分解產生O₂，隨后表現類氧化酶（OD）活性，將O₂還原成超氧陰離子（O2^·-）自由基，引發腫瘤細胞凋亡。進一步與化療藥物（阿霉素）聯用，顯著增強了抗腫瘤效果。相關研究成果以“Tumor-Microenvironment- Responsive Cascade Reactions by a Cobalt-Single-Atom Nanozyme for Synergistic Nanocatalytic Chemotherapy”為題發表于Angew. Chem. Int. Ed.上。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202204502

3、Nano Lett.：BSA共孵育的二氧化鈰納米簇治療抑郁癥

同濟大學醫學院鄭加麟教授、夏驍寰副研究員、上海東方醫院張兵波教授等人以活性氧（ROS）為目標，通過便捷、綠色、高效的牛血清白蛋白（BSA）孵育策略，合成了CeO₂@BSA納米簇作為新型抗抑郁納米藥物。CeO₂@BSA具有超小尺寸（2 nm），具有出色的ROS清除能力、穿越血腦屏障的能力、代謝速度快。CeO₂@BSA可以緩解慢性約束應激誘導的抑郁癥模型的抑郁行為和抑郁癥相關的病理變化，表明CeO₂@BSA在治療抑郁癥方面有很好的療效。本研究通過直接使用納米藥物作為抗抑郁藥物，而不是將其作為納米載體，證明了其有效性，這大大拓展了納米材料在抑郁癥治療中的應用。相關研究成果以“ROS-Targeted Depression Therapy via BSA-Incubated Ceria Nanoclusters”為題發表于Nano Letters上。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01334

4、Nat. Commun.：用于環境修復的單氨基酸生物納米酶

特拉維夫大學Ehud Gazit教授、加州大學河濱分校Bryan M. Wong教授、印度理工學院Pandeeswar Makam博士等人報告了一種簡易但高度活躍和穩定的單氨基酸仿生酶，它可以催化環境中有毒的酚類污染物的快速氧化，并作為一種超靈敏的工具來檢測類似于漆酶的重要生物神經遞質。雖然受到漆酶催化部位的啟發，但實質上更簡單的銅配位仿生酶與天然蛋白質相比，成本效益高5400倍，效率高4倍，靈敏度高36倍。此外，所設計的模擬物在極端條件下（pH值、離子強度、溫度、儲存時間）是穩定的，可以明顯地重復使用幾個周期，并顯示出廣泛的底物特異性。這些發現為開發用于分析化學、環境保護和生物技術的高效仿生酶帶來了巨大希望。相關研究成果以“Single amino acid bionanozyme for environmental remediation”為題發表于Nature Communications上。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28942-0

5、Nat. Commun.：單原子納米酶催化親和力超越天然酶用于腦外傷的高效愈合

天津大學張曉東教授團隊發現單原子納米酶RhN4和VN4的超高生物催化活性，其催化反應親和力超越天然酶5-20倍，并發現其具有X-O-N4的新型催化活性中心和雙側反應路徑；同時克服了天然酶不穩定、易失活性的缺點，其生物催化穩定性能持續數月以上；可以通過調節巨噬細胞等免疫細胞，減少炎癥，實現對神經創傷的高效縫合。該成果有望加速神經創傷的早期愈合。相關研究成果以“Single-atom nanozymes catalytically surpassing naturally occurring enzymes as sustained stitching for brain trauma”為題發表于Nature Communications上。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32411-z

6、Adv. Mater.：光熱納米酶微針貼片用于頑固性細菌生物膜感染

中科大朱晨教授、方詩元教授、上海交通大學張先龍教授和Wang Jiaxing博士提出了一種鐵驅動Janus離子治療（IJIT）抗生物膜新策略，并將其用于調節細菌生物膜和免疫細胞的鐵代謝。具體的，研究人員通過在氧化石墨烯納米片上生長Fe₃O₄納米顆粒，然后將其封裝在甲基丙烯酸透明質酸針尖中而合成了一種對BME響應的光熱微針貼片(FGO@MN)。在BME中，FGO@MN催化產生的·OH會破壞細菌熱休克蛋白，使得生物膜對熱更加敏感。研究表明，協同的溫和光熱治療會觸發細菌對鐵的吸收，實現內鐵過載，并進一步誘導其發生類似于鐵死亡形式的死亡。此外，BME周圍鐵滋養的中性粒細胞也會被重新激活，使其被抑制的抗生物膜功能得到恢復。實驗結果表明，將熱應激引發的鐵干擾和鐵滋養的免疫再激活進行結合的策略可以消除95%以上的BBIS。體內實驗也證實了IJIT能夠在15天后清除難治性BBI，由此表明IJIT具有非常廣闊的臨床應用前景。相關研究成果以“Photothermal Nanozyme-Based Microneedle Patch against Refractory Bacterial Biofilm Infection via Iron-Actuated Janus Ion Therapy”為題發表于Advanced Materials上。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207961

7、ACS Nano：冷激活的納米酶用于精確腫瘤免疫治療

中南大學陳萬松教授、Wen Mei教授、劉又年教授等人以Bi₂Fe₄O₉納米片（NSs）為原型，構建了一種冷激活人工酶。Bi₂Fe₄O₉ NSs通過凋亡和鐵下垂誘導腫瘤細胞冷酶死亡，并最大限度地降低對正常組織的脫靶毒性。此外，還制備了一種智能手機遠程控制Bi₂Fe₄O₉ NSs酶活性的干預裝置。緊接著，研究人員以Bi₂Fe₄O₉ NSs為原位疫苗，成功激活全身抗腫瘤免疫，抑制腫瘤轉移和復發。此外，血液生化分析和組織檢查表明Bi₂Fe₄O₉ NSs在體內應用具有較高的生物安全性。這種冷納米酶為癌癥疫苗的研制提供了一種策略，有利于催化納米藥物的精確控制。相關研究成果以“Cold Nanozyme for Precise Enzymatic Antitumor Immunity”為題發表于ACS Nano上。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c10057

8、Nat. Commun.：鉑納米酶誘導DNA同時鉑化和氧化裂解以克服癌癥耐藥性

浙江大學凌代舜教授團隊設計開發了一種核酸酶模擬Pt納米酶，使其能夠靶向癌細胞核，并誘導DNA同時發生鉑化和氧化裂解，從而有效克服了癌細胞的Pt耐藥性。此外，核苷酸切除修復的下游效應物，會有向DNA損傷部位進行募集的趨勢，但該趨勢會被順鉑耐藥癌細胞中的Pt納米酶所破壞，從而導致Pt-DNA加合物的過度積累，實現高效的癌癥治療。相關研究成果以“A nuclease-mimetic platinum nanozyme induces concurrent DNA platination and oxidative cleavage to overcome cancer drug resistance”為題發表于Nature Communications上。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35022-w

9、Nat. Commun.：可調控的Fe₃O₄納米酶的POD樣活性

東南大學張宇研究員、顧寧院士、馬明副研究員等人聯合報道了Fe₃O₄中的Fe²⁺可以通過Fe²⁺-O-Fe³⁺鏈將電子轉移到表面，使表面Fe²⁺再生，并實現持續的POD樣催化反應。這個過程通常發生在過量氧化的Fe³⁺從晶格向外遷移的過程中，這是一個速率限制步驟。經過長時間的催化，Fe₃O₄納米酶經歷了向γ-Fe₂O₃的相變，具有可耗盡的POD樣活性。具有參與電子轉移和離子遷移的內部原子的納米酶的這種自我消耗特性在磷酸鐵鋰納米顆粒上得到了很好的驗證。本研究揭示了一個被忽視的問題，即在設計、調節和應用納米酶時，必須同時考慮表面和內部原子。相關研究成果以“Depletable peroxidase-like activity of Fe3O4 nanozymes accompanied with separate migration of electrons and iron ions”為題發表于Nature Communications上。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33098-y

10、Adv. Sci.：酶模擬納米支架促進肌腱再生

上海交通大學附屬第六人民醫院范存義教授、Qian Yun、歐陽元明博士等人發明一種將酶模擬納米二氧化鈰納米酶（CeNPs）結合到納米纖維束支架中的智能支架（NBS@CeO），其具有多孔、各向異性和增強的機械性能，旨在通過挽救線粒體功能和重塑有利于內源性再生的微環境，創新性地探索有針對性的能量支持修復策略。整合的CeNPs清除過多的活性氧（ROS），穩定線粒體膜電位（ΔΨm），以及在氧化應激下肌腱衍生干細胞（TDSC）的ATP合成。在大鼠跟腱缺損模型中，NBS@CeO減少氧化損傷并加速膠原纖維的結構再生，表現為恢復機械性能和運動功能。此外NBS@CeO通過減輕TDSC的衰老和凋亡、下調衰老相關分泌表型（SASP）的分泌和誘導巨噬細胞M2極化，介導內源性再生信號和失調免疫微環境的再平衡。這一創新戰略突出了NBS@CeO因此提供了促進肌腱再生的潛在治療方法。相關研究成果以“Energy-Supporting Enzyme-Mimic Nanoscaffold Facilitates Tendon Regeneration Based on a Mitochondrial Protection and Microenvironment Remodeling Strategy”為題發表于Advanced Science上。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202542

11、ACS Nano：可逆轉缺血性腦卒中神經元氧化損傷和內質網應激的納米酶

暨南大學附屬第一醫院徐安定教授和陳填烽教授聯合制備了一種仿生型Mn₃O₄納米酶（HSA-Mn₃O₄），并將其用于抑制缺血卒中再灌注誘導的神經系統損傷。該納米系統具有降低炎癥水平、延長的體內循環時間和強效清除活性氧等性能。研究發現，HSA-Mn₃O₄能有效抑制缺氧缺糖損傷所誘導的細胞凋亡和內質網應激，對腦組織缺血卒中和再灌注損傷具有很好的神經保護能力。此外，HSA-Mn₃O₄能有效釋放Mn離子，促進SOD2活性的提高。實驗結果表明，HSA-Mn3O4可在體內通過抑制細胞凋亡和內質網應激以抑制腦組織損傷。綜上所述，這一研究不僅設計了一種新型仿生納米藥物，而且也充分揭示了其對于缺血性腦卒中和再灌注損傷的神經保護作用機制。相關研究成果以“Bioactive Nanoenzyme Reverses Oxidative Damage and Endoplasmic Reticulum Stress in Neurons under Ischemic Stroke”為題發表于ACS Nano上。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07205

12、ACS Nano：單原子催化劑用于增強腫瘤細胞選擇性鐵死亡

中科院長春應化所曲曉剛研究員、任勁松研究員和吉林大學劉超英教授等人通過在單原子納米酶（SAzymes）表面工程化接枝DNA調制器，開發了一種自適應鐵死亡平臺。該調節劑不僅可以特異性地增強ROS生成活性，還可以賦予SAzyme在腫瘤細胞中按需消耗GSH的能力，從而加速實現選擇性和安全性的鐵死亡。自適應抗腫瘤響應已在結腸癌和乳腺癌中得到證實，促進了選擇性癌癥治療的發展。相關研究成果以“Self-Adaptive Single-Atom Catalyst Boosting Selective Ferroptosis in Tumor Cells”為題發表于ACS Nano上。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08464

13、ACS Nano：多酶活性納米酶用于增敏鐵死亡

重慶大學蔡開勇教授和羅忠教授報道了一種基于Cu-TCPP(Fe)金屬有機骨架（MOF）的納米體系，并在其中高效摻入Au NPs和RSL3，最終用聚乙二醇（PEG）和iRGD修飾，用于腫瘤靶向藥物遞送。這些納米催化活性可導致GPX4/GH和FSP1/CoQ10H2途徑的同時抑制，并與RSL3的GPX4失活功能協同作用，導致明顯增強的鐵死亡，從而為臨床應用鐵死亡治療提供了強有力的理論基礎。相關研究成果以“Multienzyme-like Reactivity Cooperatively Impairs Glutathione Peroxidase 4 and Ferroptosis Suppressor Protein 1 Pathways in Triple-Negative Breast Cancer for Sensitized Ferroptosis Therapy”為題發表于ACS Nano上。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08664

14、Angew. Chem. Int. Ed.：胞內ROS觸發的人工酶組裝用于啟動催化和選擇性腫瘤細胞成像

中國科學院化學研究所的王樹研究員和黃一鳴研究員等人聯合報道了細胞內ROS觸發的人工酶組裝用于啟動催化活性和選擇性腫瘤細胞成像。研究人員通過將催化組氨酸殘基引入季戊四醇四（3-巰基丙酸酯）（PTT），獲得了對活性氧（ROS）具有響應性的人工酶PTT-SGH。人工酶通過細胞內ROS介導的巰基氧化在細胞中形成大的聚集體。由于腫瘤微環境中的ROS濃度較高，腫瘤細胞中的這一過程顯著促進。這種人工酶的催化活性通過交聯PTT-SGH的去質子化而得到了增強，表現出典型的酯酶活性。使用人工酶觸發活細胞內籠狀熒光團的酯鍵斷裂，實現腫瘤細胞的選擇性熒光成像。相關研究成果以“Selective Fluorescence Imaging of Cancer Cells Based on ROS-Triggered Intracellular Cross-Linking of Artificial Enzyme”為題發表于Angew. Chem. Int. Ed.上。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116457

15、Angew. Chem. Int. Ed.：通過助催化劑改善納米酶的腫瘤診療性能

上海硅酸鹽研究所施劍林院士、楊博文博士等報道發展了一種助催化劑概念，設計了二維MoS₂納米片上負載原子分散度的Fe催化劑。催化劑中的單原子Fe物種作為催化活性位點，MoS₂納米片中豐富的硫缺陷能夠在H₂O₂分解生成·OH的過程中捕獲電子，改善雙氧水的分解。而且，二維MoS₂納米片通過Mo⁴⁺氧化為Mo⁶⁺，促進Fe³⁺還原為Fe²⁺的反應速率，因此能夠提高整體催化反應的速率。這種二維納米片展示了優異的催化活性，顯著的改善了體內和體外抗癌功效，說明這種助催化劑概念對于腫瘤診療具有廣泛的應用前景。相關研究成果以“Enhancing Tumor Catalytic Therapy by Co-Catalysis”為題發表于Angew. Chem. Int. Ed.上。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202200480

納米酶作為一個全新的概念和研究范式，吸引了化學、生物、物理、醫學等多領域參與，進入高速發展期。然而，很多重要問題也隨著研究的深入不斷浮現出來，并成為了納米酶下一階段研究中的重要課題。在此，閻錫蘊院士團隊對納米酶在下一個十年中可能取得重大進展的研究方向加以展望：（1）推進納米酶的產業轉化應用；（2）完善納米酶的標準化體系；（3）揭示納米酶的天然屬性及作用。