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深圳先进院利用贵金属-卟啉设计坚固高效的单原子纳米酶用于鼻咽癌的
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分类:  创建于:2023-12-12 被查看:1067次
  近日,中国科学院深圳先进技术研究院阎锡蕴院士课题组在Advanced Materials上发表了题为Employing Noble Metal–Porphyrins to Engineer Robust and Highly Active Single-Atom Nanozymes for Targeted Catalytic Therapy in Nasopharyngeal Carcinoma的研究论文。该研究利用贵金属-卟啉系统合成了高活性和稳定的单原子纳米酶。通过锚定在卟啉中心的金属–N原子配位,成功合成了四种贵金属-卟啉(MxP,x代表Pt、Pd、Ru、Ir),以模拟天然过氧化物酶的活性位点。并且设计了一种针对EB病毒相关的鼻咽癌的靶向单原子纳米酶(MIrPHE)。这项研究不仅提出了增强单原子纳米酶的催化活性和化学稳定性的创新策略,而且还强调了MIrP作为一种有效的纳米药物用于靶向催化肿瘤治疗的巨大潜力。 

  纳米酶是一类既有纳米材料的独特性能,又有催化功能的模拟酶。纳米酶具有催化效率高、稳定、经济和规模化制备的特点,它在医学、化工、食品、农业和环境等领域得到广泛应用。然而,纳米酶通常具有较低密度的活性位点和不均匀的元素组成,导致其催化活性远低于天然酶。单原子催化理念的提出促进了具有精确配位结构的单原子纳米酶(SANzymes)的发展。原子级分散既提高了金属原子的利用效率,又增加了活性位点的数量。同时,明确的配位结构为研究纳米酶的催化机制提供了可靠模型。相比于催化活性,对SANzymes在催化反应中的化学稳定性的研究较少。特定酸碱溶液或气体环境下会导致SANzymes的活性位点脱落和中毒。此外,单原子的金属表面自由能较高,容易引起活性位点的聚集,进一步降低活性下降。因此,合成兼具高活性和化学稳定性的SANzymes是其大规模应用的必要条件。 

  在本文中,作者整合了贵金属-卟啉系统和金属有机框架(MOF)的优势,从头合成了4种贵金属-卟啉MOF SANzymes(MxP,x代表Pt、Pd、Ru、Ir),它们具有单原子分散和化学结构坚固的特征。通过对其进行类过氧化物酶(POD)活性筛选和靶向修饰,实现了对EB病毒相关鼻咽癌的精准靶向催化治疗(图1)。 

  研究首先对所制备的纳米酶进行了系统性表征(图2),透射电镜及动态光散射等形貌分析揭示了MxP均呈近球形,粒径约为150 nm。通过球差电镜和元素表征分析,证明了所制备的MIrP和经典的MFeP上的各元素分布均匀,特别是活性位点的金属均呈单原子态,负载量依次为Fe(6.17 wt%), Ir(5.45 wt%), Ru(5.26 wt%),Pt(8.39 wt%)和Pd(7.66 wt%)。 

  随后,研究人员对MxP的POD活性进行了评估(图3)。研究发现MIrP的催化活性远高于其他的MxP和经典的MFeP,其最适催化温度和pH范围均优于天然辣根过氧化物酶(HRP)。相比于MFeP,MIrP能够催化H2O2产生更高强度的自由基。重要的是,研究发现MIrP的比活力(Specific activity)为685.61 U mg?1,约为天然HRP酶(267.71 U mg?1)的2.6倍。据了解,MIrP是目前所有报道的SANzymes中POD活性最高的纳米酶。 

  化学稳定性一直是SANzymes研究领域内不可忽略的问题。为了评估MIrP是否能克服这一缺陷,接下来研究人员对MIrP和MFeP进行了0-16周的常温储存,并检测了材料在不同储存时间的吸收特征和催化性能(图4)。结果显示不同储存时间的MIrP在420 nm处均表现出稳定的吸收峰。相比之下,MFeP的吸收峰在储存8周后明显下降,并在16周后衰减更加明显。0 -1 mM的H2O2处理后,MIrP的紫外-可见吸收光谱和催化活性几乎无变化。相反,随着H2O2浓度的增加,MFeP的吸收峰和催化性能逐渐减弱。 

  最后,研究人员系统性评估了MIrPHE的体内抗肿瘤性能(图5)。通过在MIrP表面修饰EB病毒编码的LMP1的天然配体 (?)-Epigallocatechin-3-Gallate,成功构建出能够靶向EB病毒相关鼻咽癌的纳米酶(MIrPHE)。实验结果显示MIrPHE能够精确定位到肿瘤部位,基于超高的POD活性实现了出色的抗肿瘤作用。此外,MIrPHE还表现出高度的组织相容性和生物安全性。 

  综上,本研究制备了多种贵金属-卟啉,以产生高活性和稳定的SANzymes,将开发的贵金属-卟啉进一步整合到稳定且生物安全的Zr-MOF中,为设计和合成高性能、稳定的SANzymes作为天然酶的替代品提供了宝贵的见解,并且所筛选的MIrP显示出突出的抗肿瘤作用。 

  本文的共同第一作者为中国科学院深圳先进技术研究院阎锡蕴课题组助理研究员王大吉、王杰,江西师范大学副教授高雪娇和深圳市第二人民医院副研究员丁辉,通讯作者为深圳先进院客座研究员阎锡蕴,课题组助理研究员王大吉,助理研究员王杰,深圳市第二人民医院教授聂国辉,中国科学院生物物理研究所研究员范克龙作为共同通讯作者。深圳先进院为该论文第一单位。该工作受到国家自然科学基金,国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金和深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。 

  图1 | MxP的合成和靶向修饰策略(a)及其在EB病毒相关鼻咽癌的靶向催化治疗中的应用(b) 
    

  图2 | MxP的形貌和元素表征 


  图3 | MxP的POD活性表征 


  图4 | MIrP的化学稳定性测试 


  图5 | 体内实验评估MIrPHE的肿瘤靶向催化治疗效果
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