基于钴掺杂碳点的高催化活性纳米酶及其生物传感和抗癌效应的研究

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes

近年来，纳米酶——一种新型的具有类酶活性的功能纳米材料的出现引起了科学界广泛关注。与天然酶相比，纳米酶具有催化效率高、活性易于调节且稳定、易于大规模制备等优点，在生物传感、生物医学、食品安全和环境工程等领域具有良好的应用潜力。然而，纳米酶仍然存在复杂的制备过程，昂贵的生产成本，以及较差的生物相容性等缺点。因此，通过简单的方法制备性能优异且生物安全性良好的纳米酶，并开发其在纳米生物技术中的多功能应用具有重要意义。

因此，山西大学双少敏教授团队设计开发了一种基于钴掺杂碳点（Co-CDs）的高催化活性纳米酶。该碳点表现出优异的类过氧化物酶（POD）活性，可催化H2O2产生多种活性氧（ROS）。将Co-CDs与葡萄糖氧化酶（GOx）相结合，通过级联反应构建了一种灵敏度高、选择性好的用于比色检测葡萄糖的分析方法，实现了人血清样本中葡萄糖的准确检测。此外，Co-CDs可特异性地与癌细胞内的H2O2反应，生成多种ROS导致癌细胞死亡，在肿瘤催化治疗中表现出良好的应用前景。

首先，作者以维生素B12和柠檬酸为前驱体通过一步热解法制备了Co-CDs。Co-CDs表面含有多种亲水基团（氨基和羟基等），在水中表现出良好的分散性和稳定性。TEM显示Co-CDs为均匀分散的准球形，平均粒径约为3.62 nm（图1）。

图1. Co-CDs的（A）TEM图；（B）尺寸分布图；（C）傅里叶变换红外光谱;（D）XPS光谱。Co-CDs的N 1s（E）和Co 2p（F）的高分辨XPS光谱。

通过显色反应和酶动力学实验，测定了Co-CDs的类过氧化物酶（POD）活性，结果显示Co-CDs对H2O2具有更高的亲和力，米氏常数（Km）为0.0598 mM，最大反应速率（Vmax）为9.219 nM s-1。此外，利用活性氧消除剂与电子自旋共振谱（ESR）证明在有H2O2存在下，Co-CDs可催化H2O2同时产生三种ROS包括•OH、1O2和•O2-。

图2. Co-CDs 催化H2O2的显色反应和酶动力学实验。

图3.（A）不同ROS清除剂对Co-CDs类POD酶显色反应的影响。Co-CDs催化H2O2生成（B）•OH、（C）•O2-和（D）1O2的ESR光谱。

基于Co-CDs优异的POD酶活性，作者将Co-CDs与GOx相结合构建了纳米酶/天然酶混合级联反应体系，开发了用于检测葡萄糖的比色分析法。该方法表现出良好的灵敏度和选择性，检测葡萄糖的线性范围为0.5~200 μM，最低检测限为0.145 μM（图4），并成功实现了人血清样本中葡萄糖的准确检测。

图4. （A）Co-CDs/GOx纳米酶检测体系在不同葡萄糖浓度下的UV-Vis吸收光谱（A）及线性关系（B）；（C）Co-CDs/GOx纳米酶体系检测葡萄糖的选择性。

此外，通过细胞毒性实验可知，Co-CDs对于正常细胞MPC-5几乎没有毒性。然而，在相同的条件下，Co-CDs对癌细胞A549具有明显的杀伤作用，这主要是因为碳点与癌细胞中过表达的H2O2反应产生多种高毒性的ROS，从而导致癌细胞死亡。并且，通过Calcein-AM/PI染色荧光图像进一步证实了Co-CDs的抗癌细胞作用。Co-CDs处理的A549细胞明显死亡显示出红色荧光，而大多数正常细胞仍然显示较强的绿色荧光，表明Co-CDs对癌细胞的特异性杀伤能力（图5）。加入H2O2后凋亡的癌细胞进一步增加，这与MTT实验的结果一致。以上结果表明， Co-CDs可特异性地催化肿瘤微环境中H2O2产生ROS，诱导癌细胞死亡，从而达到抗癌的目的，而对正常细胞几乎无影响。

图5.（A）不同处理后的细胞存活率。（B）不同处理后细胞的Calcein-AM/PI活-死染色荧光成像图。

总之，作者以简便的方法设计开发了一种新型的具有高催化活性的基于Co-CDs的类POD酶，并通过其与天然酶的级联反应构建了一种高灵敏度、高选择性的葡萄糖比色分析法，并将其应用于人血清中葡萄糖的测定。同时，研究了其抗癌细胞效应，探索了其在化学动力学抗肿瘤治疗中的应用潜力。因此，Co-CDs作为一种优秀的纳米催化材料，在生物传感、医学诊断和疾病治疗等方面具有广阔的应用前景。

相关研究成果以“A High Catalytic Activity Nanozyme Based on Cobalt-Doped Carbon Dots for Biosensor and Anticancer Cell Effect”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

转自：“NANO学术”微信公众号

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