Adv. Funct. Mater. | 自驱动电调节铜单原子纳米酶的d带电子促进癌症治疗

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者纳米酶 Nanozymes

文章简介

01

近年来，设计纳米酶在肿瘤部位催化产生高毒性活性氧物质（ROS）成为癌症治疗的一种有效策略。与天然蛋白酶相比，纳米酶具有稳定性高、易于制造和成本低等优势。但开发在肿瘤微环境（TME）下具有高催化活性的纳米酶仍是目前的一大挑战。最近，单原子纳米酶（SAzymes）被认为能够最大限度地提高原子利用率而备受关注，但其内在催化活性远未达到预期。因此，不断探索提升SAzymes催化生成毒性ROS效率的方法显得刻不容缓。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员团队在《Advanced Functional Materials》发表了题为“Self-driven electricity modulates d-band electrons of copper single-atom nanozyme for boosting cancer therapy”的工作，他们设计了一种基于可穿戴摩擦纳米发电机（TENG）和单原子铜纳米酶（Cu-NC）的自驱动电刺激增强催化系统用于改善癌症治疗。研究发现，Cu-NC具有过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽氧化酶（GSHOx）等多种类酶活性。人运动产生的自驱动电场能够促进H2O2在单原子Cu活性位点上的吸附，使Cu费米能级附近的dxy轨道提高，Cu的d带中心发生位移，从而大幅提高多种类酶活性，并形成级联反应，放大癌细胞的氧化损伤和死亡。这种自驱动电场增强纳米酶催化，为肿瘤催化治疗提供了可行的策略，为优化SAyzmes开辟了新的思路(图1)。

图1 Cu-NC在摩擦纳米发电机提供的自驱动电刺激下用于癌症治疗的示意图

实验内容

02

通过球差电镜表征单原子Cu均匀的分布在氮掺杂碳载体上。同步辐射的X射线吸收近边结构（XANES）光谱和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱结果表明，Cu原子的价态在+1和+2之间，并且Cu-NC只有一个与Cu-N键相关的主峰，没有发现与Cu-Cu金属键相关的峰，证实了Cu的原子级分散。拟合结果显示每个Cu原子与3.9 ± 0.6个N原子配位，Cu-N键长为1.96 ± 0.05 Å，表明Cu原子在Cu-NC中主要以CuN4形式存在。

作者设计了一种接触分离模式的TENG，整个器件灵活、重量轻、尺寸小，可以轻松佩戴在人的手腕上，方便操作，稳定可控地提供电刺激。研究电场对Cu-NC催化活性的影响发现，Cu-NC具有四种类酶活性，分别是类POD、CAT、OXD和GSHOx活性。自驱动电刺激下，四种酶活均得到显著提高。催化反应动力学结果发现，电刺激的施加有利于催化活性中心与底物的结合并且进一步提高了催化反应速率。

图2 Cu-NC的合成及表征

图3 自供电电刺激下TENG的性能和Cu-NC的催化活性

图4 DFT计算验证电刺激促进了Cu-NC的类POD活性

密度泛函理论计算（DFT）发现，当施加电场时，H2O2在Cu-NC上的吸附能降低了0.28 eV，说明H2O2与Cu活性中心的结合更易发生，这与动力学测试的结果高度一致。同时在电刺激下，活性中心费米能级附近的DOS显著增加，并出现了新的混合电子态，表明活性位点与底物之间的相互作用更强，加速了催化过程中的电荷转移。而且，电刺激后Cu的d带中心向靠近费米能级移动，表明H2O2更容易吸附在Cu上。这些结果均符合前沿电子轨道理论，表明电刺激有利于增强Cu-NC的催化活性。

图5 在TENG提供的电刺激下Cu-NC进行体内癌症治疗

结果分析

03

结果表明自驱动电可以显著提高铜单原子纳米酶（Cu-NC）的各类酶催化活性。电刺激显著提高了Cu-NC的类POD、CAT、OXD和GSHOx酶活性并形成级联反应，放大癌细胞的氧化损伤和死亡。与传统电源相比，灵活、轻便、自驱动的可穿戴TENG为智能医疗提供了更加生物安全、便捷的电刺激方式。这项工作为自供电刺激进行肿瘤催化治疗提供了可行的策略。

转自：“NANO学术”微信公众号

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