以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者Nanozymes
纳米酶是一种新型人工酶，具有类似天然酶的催化活性，并具有催化稳定性高、官能化容易、成本低等优点，在许多领域显示出巨大的潜力。然而，早期的纳米酶是在巧合和试错中得到的，其催化效率和底物专一性常常远低于天然酶。而长期以来，大自然一直是创造全新的化学、结构和功能材料的灵感源泉。因此，纳米酶不应该仅依靠其自身的有限样本进行研究，而更适合向着广阔的天然酶结构和特性学习，以结合两方的优势。针对这一问题，中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室和化学生物学实验室的曲晓刚研究员在Advanced Materials期刊上发表了题为“Biosystem-Inspired Engineering of Nanozymes for Biomedical Applications”的综述文章，通过模拟自然酶的关键结构特征、特定生物的重要行为和功能以及特定的生物过程来总结纳米酶的最新进展，并根据疾病的类型和纳米酶的作用方式综述了纳米酶在生物医学上的最新应用（如图1）。
图 1.由生物系统启发的纳米酶工程示意图。
首先，作者介绍了分别用于提升催化活性、底物专一性以及对映体选择性的纳米酶。天然酶具有提升催化活性、底物专一性以及对映体选择性的优良特性，其结构基础在于其明确的结合部位和催化部位，而这正是目前纳米酶所缺乏的。为了创造可以提升纳米酶催化效率的催化微环境，研究人员考虑了许多因素来指导纳米酶的结构设计，如底物结合位点、配位结构、缺陷工程以及电子结构等。对于天然酶来说，催化部位周围的结合位点为底物结合提供了良好的微环境，这对酶的高催化活性起到了重要作用。因此，研究人员在纳米酶上引入了人工底物结合位点和催化位点，用于构建高效的酶模拟物；此外，天然酶催化微环境中的氨基酸可以有效地促进相应底物的富集化和活化，这些特性启发了研究人员通过氨基酸的修饰来构建高效纳米酶；对于配位结构的设计，具有明确电子结构的单原子纳米酶可以通过调节配位环境来模拟天然酶高度进化的活性部位；此外，通过巧妙地设计金属-有机骨架生物催化剂的配位结构，也可提高纳米酶的催化效率。值得一提的是，纳米酶中的空位和替代缺陷被用来模拟天然酶对底物的富集化、组织化和活化的空间和组分协同作用。
例如，研究人员开发了一种通过缺陷工程整合活性部分的纳米酶设计策略。在这样的纳米酶平台中，铁被掺杂到氧化钼中，以产生丰富的铁取代和氧空位缺陷。与天然酶类似，这些缺陷位点可以相互协作，发挥底物结合和催化活性。结果表明，此纳米酶在模拟天然过氧化氢酶、过氧化物酶和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶的过程中表现出较高的酶活性，这可以归因于氧空位缺陷、铁位以及钼位的协同作用（如图2）。另外，天然酶中的金属催化中心具有特殊的电子结构，使其具有很高的酶活性，这启发了研究人员设计纳米酶的电子结构来进行仿生催化。一般来说，合适的金属催化中心的电子结构会影响纳米酶在不同过程中的仿酶活性，如底物的吸附和解离、电子转移过程以及关键中间体的产生。
图 2. Fe-MoOv纳米酶的密度泛函理论计算和催化机理。
天然酶具有很高的底物专一性和活性，可以高效地催化一系列生化反应。然而，催化选择性是纳米酶在模拟天然酶功能方面面临的主要挑战之一。到目前为止，大多数研究都集中在提高纳米酶的催化活性上，但普遍忽略了纳米酶的特异性，从而失去了天然酶高选择性的优势。天然酶进化出独特的结构和巧妙的微环境，如合适的底物结合位点，对相应的底物提供了极高的特异性。因此，利用仿生策略开发出对相应底物具有高度特异性的新型纳米酶成为研究人员的迫切需要。
到目前为止，研究人员已经提出了一系列生物启发的方法来通过创建人工底物特异性结合位点来提供纳米酶的催化选择性。例如在纳米酶上修饰仿生聚合物等。同时，天然酶的独特结构特征对手性底物具有很高的对映体选择性，在医药和工业中被广泛用于立体选择性化合物的合成和分离。值得注意的是，用天然酶区分底物对映体的方法是使用定义明确的底物结合位点，在其中手性底物分子可以被有效地识别和转化为对映体选择性催化。然而，目前开发的纳米酶往往缺乏这种巧妙的底物结合位点，使得难以满足对映选择性催化的催化对映体选择性的要求。因此，利用仿生方法构建手性纳米酶，特别是基于天然酶的特殊结构特征，在对映选择性生物催化领域显示出良好的应用前景。
另一部分纳米酶并不着重于模仿天然酶的结构，它们被设计来模拟天然酶系统中的催化行为过程，模拟细胞内的抗氧化防御系统，甚至模拟细胞器及其功能。同时，对纳米酶平台的动态平衡和其他生物过程也进行了总结。这些由生物过程启发的策略可能会对仿生纳米酶的发展产生重大影响，这对于提高其在癌症治疗和免疫治疗等生物医学应用中的催化和治疗性能尤为重要。在天然蛋白质酶的催化过程中，往往会出现静电预组织效应。也就是说，蛋白质酶的活性部位存在一个强大而持久的静电场，这是导致这些酶与底物结合并随后发生催化反应的主要因素。电场在酶催化中起着关键作用，提升了活性部位发生本来困难和缓慢的化学反应的速度。因此，为了控制催化反应的活性和选择性，研究人员试图利用外部电场来重塑纳米酶的内部静电场。受这种生物过程的启发，研究人员开发了一种自驱动催化系统，以提高纳米酶催化治疗癌症的效率（如图3）。该系统由一种基于铁卟啉的共价有机骨架组成，以碳纳米管杂化纳米酶作为活性氧产生源，依靠自驱动电场刺激器提供电脉冲，并使用一种导电水凝胶来降低组织的电阻抗。在电场的刺激下，上述杂化纳米酶的类酶活性提高了4倍。
图 3.COF-CNT合成示意图。
另外，氧化应激主要反映活性氧的产生和抗氧化防御系统能力之间的失衡，容易导致癌症、炎症等病理变化。为了维持细胞内的氧化还原平衡，保护身体免受氧化损伤，一系列酶和抗氧化小分子共同构建了抗氧化防御系统，清除过量的自由基。具有活性氧调节特性的纳米酶可以模拟细胞内的抗氧化酶，成为治疗氧化应激引起的疾病的新候选药物。另一方面，在发病部位，过度的免疫反应也会导致氧化应激进一步加剧。例如，细菌感染部位经常存在大量的活性氧和活性氮，干扰信号级联，破坏氧化还原稳态，导致细胞损伤，阻碍机体修复。因此，开发一种能够在短时间内有效杀灭细菌，同时模拟细胞内抗氧化防御系统的纳米酶是有必要的。
人工细胞器是一种单独隔离的纳米反应器，用来模拟天然细胞器的功能，在这些细胞器中，酶或类酶催化剂通过有效的级联反应执行特定的功能。由于隔室的作用，酶的催化反应不受周围介质的影响。人工细胞器可以提高酶在疾病治疗中的利用率，在生物医学方面显示出巨大的潜力。然而，由于天然酶的固有缺陷和靶向传递的困难，人工细胞器的应用受到了阻碍。与天然酶相比，纳米酶具有许多优点，为人工细胞器的制造提供了一种新的策略。最近，研究人员开发了一种基于纳米酶的生物能量供应系统来模拟线粒体的氧化磷酸化 。人工线粒体由两部分组成：1）固定在硅胶微球上的具有葡萄糖氧化酶和过氧化物酶活性的金纳米颗粒（HSM-AuNPs）；2）包裹有ATP合成酶的蛋白脂质体。在氧气和葡萄糖存在下，葡萄糖酸形成跨膜质子梯度，驱动表面重组的天然ATP合成酶将ADP和无机磷酸盐转化为ATP。组装的结构显示出与天然线粒体相当的氧化磷酸化活性。这项研究为探索生物能源供应系统提供了一种新的策略，并为ATP驱动的生物医学应用提供了巨大的前景。
图 4.基于纳米酶的人工线粒体。
除了天然酶本身及其引发的生物反应，自然中的生物或者生物组织也可以成为启发纳米酶研究的媒介，例如类细胞纳米酶和类微生物纳米酶。细胞膜涂层是一种新兴的仿生技术，它赋予纳米酶以自然的表面。细胞膜包裹的纳米颗粒具有高度复杂的生物功能，同时保留了核心纳米颗粒的固有物理和化学性质。覆盖着细胞膜的纳米酶可以完全不被阻止地进入生物特定位置发挥期望的作用。近年来，细胞膜包裹的纳米酶被用来模拟相应亲本细胞的功能来构建人工细胞。这些类细胞纳米酶具有广泛的生物医学应用。同时，为了提高疾病的治疗效果，也出现了一些类微生物的纳米酶，特别是类细菌和类病毒的纳米酶。例如，林等人开发了一种多功能类细菌纳米酶 。在他们的设计中，树枝状介孔二氧化硅被接枝到Bi2S3纳米棒上，而超小的二氧化铈纳米酶被负载到二氧化硅的介孔中。该纳米酶在酸性条件下表现出两种类似酶的催化活性，可以调节肿瘤微环境，缓解缺氧。同时，纳米酶可以通过氧化还原反应有效地消耗过表达的谷胱甘肽。这种类细菌纳米酶能有效地与肿瘤细胞相互作用，促进肿瘤细胞的内吞作用，结合其光热性质和光照射下产生自由基的活性，显示出高效的抗肿瘤作用。
最后，该文章详细地介绍了由生物系统启发的纳米酶在生物医学领域中的应用。目前，已报道的具有氧化还原酶、水解酶、裂解酶和异构酶活性的纳米酶已广泛应用于各种生物医学领域。例如，氧化还原酶型纳米酶可以在生理条件下调节活性氧水平，在生物传感和疾病治疗领域中发挥重要作用。具有过氧化物酶和氧化物酶活性的纳米酶可以直接催化底物分子产生自由基，从而杀死病原微生物和肿瘤细胞。研究人员通过将微型PtAu纳米酶和四甲基联苯胺负载到聚乙二醇包覆的金属-有机骨架纳米颗粒中，制备了纳米反应器，实现了光声成像引导的PTT和激活肿瘤微环境的纳米酶治疗的协同 （如图5）。具有类过氧化物酶活性的纳米反应器可以氧化四甲基联苯胺，用于肿瘤特异性光声成像和光热肿瘤消融，避免了光疗剂始终在线的作用所造成的不良副作用。另外，具有超氧化物歧化酶样活性、谷胱甘肽过氧化物酶样活性和过氧化氢酶样活性的纳米酶，可以中和病区过量的活性氧自由基，避免过度的炎症反应，改善身体功能。此外，具有核酸酶或蛋白酶样活性的纳米酶可以降解目标核酸或蛋白质。已报道的DNA内切酶、人工酶和拓扑异构酶I手性CDs纳米酶有望用于基因编辑和其他生物应用。更重要的是，纳米酶作为纳米材料，具有特殊的功能性质，如光热、声动力学和磁性，还可以实现高度可控、高效和自响应性的纳米治疗平台的构建。因此，纳米酶结合了其固有的类酶活性和物理化学性质，为其作为治疗各种疾病的新一代纳米药物的创新应用奠定了基础。
图 5.协同增强光声疗法的纳米酶疗法示意图。
本综述描述了各种由生物系统启发而构建的纳米酶工程及其生物医学应用。纳米酶被认为是一种很有前途的天然酶的替代品，其应用在于生物传感和各种疾病的治疗。研究者在生物系统启发策略的指导下，通过模拟天然酶精细的催化结构，天然酶在催化过程中的变化，以及特定的生物过程或生物体，设计和构建了越来越多的高活性的纳米酶平台。例如，大量的研究集中在设计具有明确结合部位和催化部位的纳米酶，以模拟天然酶中的催化微环境，提高其催化性能。另外，通过在纳米材料中集成天然酶的关键催化成分和结构，构建了高活性、高催化特异性和对映选择性的纳米酶。此外，一些特殊的生物过程、行为和生物体，包括细胞内抗氧化防御系统、氧化还原动态平衡、细胞器、微生物以及自然界中的拓扑相互作用，也促使研究人员构建具有高效催化和治疗性能的纳米酶。随着我们对纳米技术、酶学和疾病的认识加深，纳米酶在未来的潜在生物医学应用将会被进一步拓宽。
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