周絲雨,梁黛雯,朱曉芳

(1.中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院,湖南 長沙,410011;2.揚州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院 皮膚科,江蘇 揚州,225001)

納米酶為具有酶活性的納米材料，其與天然酶在總尺寸、形狀和表面電荷等方面具有某些相似性，因此納米材料能夠模擬天然酶[1]。自然界絕大多數(shù)天然酶為蛋白質(zhì)，遇到高溫、強酸、強堿等環(huán)境易失活并失去催化活性，且天然酶提取難度大，費用高。與天然酶相比，納米酶可規(guī)?；苽?，具有成本低、合成容易、可回收利用、儲存時間長、對惡劣環(huán)境的耐受性強且更加穩(wěn)定等特點，能適應(yīng)較大范圍的pH值和溫度變化，例如Fe3O4納米酶在pH值為10或溫度在80 ℃的條件下，仍然保持80%的催化活性[2]。

隨著納米酶研究的深入，迄今為止世界上已有200多個研究實驗室在積極研究納米酶[3]。而納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用仍然非常局限，作者綜述了納米酶在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究，有助于更好地挖掘納米酶的應(yīng)用前景。

1 納米酶活性調(diào)節(jié)

1.1 納米酶的尺寸效應(yīng)及形貌效應(yīng)

納米酶存在尺寸效應(yīng)，即較小尺寸的納米酶會因較高的表面體積比而暴露出更多的催化活性位點，從而具有更高的活性。大量研究表明，納米酶顆粒質(zhì)量相同時，較小尺寸的納米酶具有更好的催化活性。例如，納米金顆粒(AuNPs)的氧化酶催化活性隨顆粒直徑減小而增強，當(dāng)納米金顆粒尺寸減小到2～5 nm時，其氧化酶活性最佳且最穩(wěn)定[4-5]。因此，利用納米酶的尺寸效應(yīng)可以通過控制納米酶的顆粒直徑來調(diào)節(jié)納米酶的催化活性。

納米酶的形貌效應(yīng)，即不同形態(tài)納米酶的催化活性不同，例如,Mugesh等[6]比較了不同形狀的Mn3O4納米酶(如菜花狀、薄片狀、立方體、多面體和六角形板)的過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和超氧化物歧化酶(SOD)活性，發(fā)現(xiàn)菜花狀Mn3O4納米酶對這3種反應(yīng)都有最高的催化活性，而其他形態(tài)的Mn3O4納米酶只表現(xiàn)出類似SOD的活性，因此，后續(xù)研究中選擇菜花狀Mn3O4納米酶作為進(jìn)一步的神經(jīng)保護材料。

1.2 納米酶的材料復(fù)合化及表面修飾

對于納米酶而言，一種調(diào)節(jié)活性的經(jīng)濟有效的方法是將2種或多種納米材料復(fù)合來提高納米酶活性。最常用的方法是，用另一種催化活性較高的納米材料，如鉑(Pt)和銥(Ir),復(fù)合催化活性較低的納米材料，如金(Au)和銀(Ag),這不僅可以提高酶的活性，而且可以有效地利用并保留這些貴金屬的特性。例如，將Ir引入鉛(Pb)納米粒子的表層，形成的鈀銥雙金屬(Pb-Ir)納米粒子催化效率比裸Pb納米粒子或辣根過氧化物酶(HRP)提高20～400倍[7]。復(fù)合納米酶表面電子轉(zhuǎn)移能力更強，活性位點更多，與單裸納米顆粒相比有更好的催化性能[8]。

納米酶表面經(jīng)過修飾，能夠改變其對底物的親和力，從而影響其催化效率。我們可以通過調(diào)節(jié)納米酶表面電荷或酸堿度、阻斷表面通路、共價修飾、物理吸附等方式，提高納米酶的活性及選擇性[9]。受天然過氧化物酶結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，高利增等[10-11]將Fe3O4納米酶表面修飾組氨酸，模擬天然酶催化反應(yīng)的活性部位，與未加修飾的Fe3O4納米酶相比，由于組氨酸側(cè)鏈咪唑基團與過氧化氫(H2O2)之間形成氫鍵，這種修飾使其對H2O2的親和力提高了至少10倍。因此，經(jīng)組氨酸修飾的Fe3O4納米酶的過氧化物酶催化效率提高20倍以上。

2 納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 納米酶的抗氧化應(yīng)激作用

納米酶如納米氧化鈰、納米富勒烯、五氧化二釩(V2O5)納米線、維生素B2修飾的納米鐵[12-15]等均被用作有效的抗氧化劑，通過產(chǎn)生高過氧化氫酶樣、SOD或谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)樣擬酶活性，來下調(diào)氧化應(yīng)激反應(yīng)和減輕炎性損傷，如羧基化富勒烯具有SOD擬酶活性對家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)有治療作用。ALS是一種神經(jīng)退行性疾病，與多種基因突變有關(guān)，如SOD1基因突變。用攜帶人類疾病家族性ALS基因的轉(zhuǎn)基因小鼠接受羧基化富勒烯治療，可以觀察到癥狀發(fā)作延遲10 d。羧基化富勒烯還能夠治療非人靈長類動物帕金森病。研究者用羧基化富勒烯對帕金森病的獼猴模型進(jìn)行了為期2個月的系統(tǒng)治療，結(jié)果表明，羧基化富勒烯可以顯著減輕紋狀體損傷和改善運動功能。實驗期間，羧基化富勒烯未顯示任何毒性[12]。

Mugesh等[13]發(fā)現(xiàn),V2O5納米線具有GPX樣擬酶活性，在谷胱甘肽(GSH)存在的條件下，可催化H2O2轉(zhuǎn)化為H2O。因此,V2O5納米線能清除過氧化氫(H2O2)而發(fā)揮保護作用。V2O5納米線不僅可以消除外來的H2O2,還可以清除由CuSO4誘導(dǎo)產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)過氧化物，進(jìn)一步證明V2O5納米線可作為細(xì)胞保護的有效抗氧化劑。綜上所述，納米酶在神經(jīng)保護、抗氧化、抗老化等方面具有潛在應(yīng)用價值。

2.2 納米酶的抗菌作用

活性氧(ROS)是一種含氧的高活性化學(xué)物質(zhì)，具有不成對的電子，包括超氧陰離子(O2-)、羥自由基(HO-)、H2O2、過氧亞硝酸鹽和脂質(zhì)自由基[16]。ROS能造成微生物DNA、蛋白質(zhì)等化學(xué)物質(zhì)損傷，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。目前發(fā)現(xiàn)的納米酶主要介導(dǎo)氧化還原反應(yīng)，大部分納米酶可分為4類:氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶及SOD。因此，納米酶可調(diào)節(jié)ROS水平，用于開發(fā)新型的抗菌藥物。例如，在介孔二氧化硅上負(fù)載納米金顆粒形成的復(fù)合材料MSN-AuNPs,具有氧化酶和過氧化酶活性，且在較大的pH值波動范圍內(nèi)仍可保持催化活性，從而在生理條件下殺滅細(xì)菌。MSN-AuNPs可產(chǎn)生過量的ROS,從而產(chǎn)生強力的抗菌性能。對革蘭陽性金黃色葡萄球菌和革蘭陰性大腸桿菌的增殖均有明顯的抑制作用[17]。目前，細(xì)菌耐藥已經(jīng)成為世界性難題，而納米酶可以開發(fā)為新型的抗菌劑，為解決這一難題提供新的思路。

2.3 納米酶的生物檢測作用

核酸(如DNA和RNA)檢測在人類遺傳學(xué)、臨床診斷、細(xì)胞學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。因此，隨著納米酶領(lǐng)域的巨大成就，科學(xué)家們研究了多種具有納米酶的核酸檢測方法(大多數(shù)用于DNA檢測)。Wang Q等[18]將鐵卟啉和鏈霉親和素負(fù)載到石墨烯上形成配合物，具有過氧化物酶模擬活性，用于生物素化分子信標(biāo)的特異性識別。在目標(biāo)DNA存在下，可以打開固定化前的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，然后通過鏈霉親和素與生物素的相互作用結(jié)合成鏈霉親和素功能化的納米酶。然后，在H2O2的存在下，納米酶可以催化鄰苯二胺氧化為氧化鄰苯二胺，進(jìn)而產(chǎn)生電化學(xué)信號以定量DNA。蛋白質(zhì)檢測是一種廣泛使用的免疫分析技術(shù)，利用抗體和抗原之間的特異性識別。用Fe3O4納米酶模擬過氧化物酶，制備了用于診斷埃博拉病毒感染的納米酶條帶。與標(biāo)準(zhǔn)膠體金條帶相比，納米酶條帶可以在過氧化氫存在的條件下，通過催化過氧化物酶底物的氧化來放大信號，大大提高了檢測靈敏度，檢測最低限值可低至1ng/mL[19]。雙抗體夾心法(ELISA)是目前應(yīng)用最廣泛的免疫檢測方法，過氧化物酶是其重要的工具酶，然而天然酶易失活，而納米酶不僅有天然酶的催化活性，同時性質(zhì)穩(wěn)定，且納米材料可以有效富集抗原提高檢測靈敏度[8]。未來有望使用納米酶來實現(xiàn)更加廉價且快速的免疫學(xué)檢測。

2.4 納米酶用于癌癥治療

活性氧(ROS)可以對癌細(xì)胞造成傷害。根據(jù)ROS產(chǎn)生的不同途徑和機制，癌癥治療的納米酶可大致分為2類:納米酶作為過氧化物酶或氧化酶模擬物，在催化過程中產(chǎn)生ROS,原理與前面所述的抗菌活性相似;在光敏劑和過氧化氫酶模擬酶存在的條件下，光照射下產(chǎn)生ROS,其中納米酶的關(guān)鍵作用是產(chǎn)生O2以提高光動力療法的功效[3]。

氮摻雜的多孔碳納米球(N-PCNs)具有4種酶活性，包括氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶，可以調(diào)節(jié)體內(nèi)活性氧。用鐵蛋白進(jìn)一步修飾N-PCNs有助于溶酶體的靶向識別。然后，溶酶體的酸性環(huán)境促進(jìn)了N-PCNs進(jìn)行過氧化物酶和氧化酶模擬活性以產(chǎn)生ROS并消耗氧氣，從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的毒性效應(yīng)和缺氧。動物實驗[20]結(jié)果表明,N-PCNs能有效縮小腫瘤體積，提高腫瘤小鼠的存活率。

在光動力治療過程中,O2被光敏劑轉(zhuǎn)化為ROS。然而，癌細(xì)胞的缺氧微環(huán)境限制了治療效果，而納米酶的過氧化氫酶樣活性解決了這一問題。納米酶可以將H2O2分解為O2和H2O。介孔二氧化硅上負(fù)載MnFe2O4納米顆粒(MFMSN),可以提高光動力療法的效率。MFMSN和ROS在激光照射下連續(xù)產(chǎn)生O2,減輕了癌細(xì)胞缺氧微環(huán)境，提高了治療效果[21]。

3 展 望

納米酶作為一種新型模擬酶，能夠用于多種疾病(如生物濾過膜感染、中風(fēng)、心肌缺血、癌癥、高尿酸血癥和神經(jīng)變性等)的治療。未來應(yīng)著眼于加強納米酶的反應(yīng)特異性和優(yōu)化催化能力，研究納米酶的清除、代謝、降解性、生物相容性及副作用等。平衡治療有效性和安全性對納米酶未來在臨床上的應(yīng)用至關(guān)重要。鑒于納米催化技術(shù)的獨特性，納米酶的研究可為開發(fā)可持續(xù)、經(jīng)濟、安全的疾病治療方法提供新思路。