納米酶是一類蘊(yùn)含酶學(xué)特性的納米材料，能夠在生理或極端條件下催化酶的底物，具有類似于天然酶的酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并且可以作為酶的替代品用于人類健康。自從2007年首次報(bào)道以來，全球已經(jīng)有55個(gè)國家的420個(gè)研究單位陸續(xù)報(bào)道了近1200種不同納米材料的納米酶活性，其催化類型涵蓋了氧化還原酶、水解酶、裂合酶和異構(gòu)酶等。納米酶是多學(xué)科交叉融合的典范，2022年被IUPAC評為十大化學(xué)新興技術(shù)。經(jīng)過十幾年發(fā)展，在從事化學(xué)、酶學(xué)、材料、生物、醫(yī)學(xué)、理論計(jì)算等多領(lǐng)域科學(xué)家共同推進(jìn)下，如今納米酶已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。

碳點(diǎn)(C-dots)作為一類光致發(fā)光納米材料，因其獨(dú)特的性質(zhì)，在過去10年受到了極大研究關(guān)注。碳點(diǎn)具有粒徑小、易制備、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其表面豐富的含氧官能團(tuán)，如羰基、羧基、羥基等，使碳點(diǎn)具有良好的水溶性和易于功能化的特點(diǎn)。因此，碳點(diǎn)在傳感、生物成像、發(fā)光二極管、疾病治療等方面顯示出巨大應(yīng)用潛力。此外，碳點(diǎn)由于其小尺寸效應(yīng)和豐富的活性位點(diǎn)而表現(xiàn)出催化活性，但以往所報(bào)道的碳點(diǎn)納米酶主要集中于其過氧化物酶活性，關(guān)于設(shè)計(jì)具有高抗氧化活性的碳點(diǎn)納米酶的報(bào)道較為罕見。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有超高類SOD活性的碳點(diǎn)納米酶（活性>10000 U/mg），并利用表面結(jié)構(gòu)定向調(diào)控策略和理論計(jì)算揭示了其催化機(jī)制。研究結(jié)果表明碳點(diǎn)SOD納米酶的羥基和羧基能夠通過氫鍵與超氧陰離子結(jié)合，與π-體系共軛的羰基則奪取超氧陰離子的一個(gè)電子，產(chǎn)生氧氣和還原態(tài)碳點(diǎn)。還原態(tài)碳點(diǎn)被另一個(gè)超氧陰離子氧化回初始狀態(tài)并產(chǎn)生過氧化氫。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示碳點(diǎn)納米酶可選擇性靶向氧化損傷的細(xì)胞，并定位到線粒體，這對從源頭上清除胞內(nèi)ROS非常有利。結(jié)合其高催化活性，成功地將碳點(diǎn)SOD納米酶應(yīng)用于抵御體內(nèi)缺血性中風(fēng)引起的氧化應(yīng)激，并取得良好的治療效果。此外，碳點(diǎn)SOD納米酶具有穩(wěn)定性高、制備容易、成本低廉、易于規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，克服了天然酶的局限性，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

碳點(diǎn)SOD納米酶的制備、催化機(jī)制及其在缺血性中風(fēng)治療中的應(yīng)用

上述研究成果以《解析碳點(diǎn)納米酶超氧化物歧化酶活性的催化機(jī)制》為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上，西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院高文慧、中科院生物物理研究所賀久洋、陳雷為共同第一作者，中科院生物物理研究所閻錫蘊(yùn)院士、范克龍研究員，南開大學(xué)龐代文教授及西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院劉翠副教授和張明真研究員為論文共同通訊作者，西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35828-2

生物體內(nèi)存在級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)，即在連鎖的酶促反應(yīng)過程中，前一反應(yīng)的產(chǎn)物是后一反應(yīng)的底物，每進(jìn)行一次催化反應(yīng)，就使調(diào)節(jié)信號(hào)產(chǎn)生一次放大作用。生物體內(nèi)的級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)系統(tǒng)通過將多種酶限制在亞細(xì)胞區(qū)室中來確保準(zhǔn)確的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和有效的代謝。通過降低擴(kuò)散勢壘、提高中間體的局部濃度和改善整個(gè)反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，獲得了優(yōu)于傳統(tǒng)多步反應(yīng)的優(yōu)勢。課題組將高活性碳點(diǎn)SOD納米酶(CNDs)與鉑納米顆粒(Pt)結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有高效級(jí)聯(lián)（SOD-CAT）納米酶活性的Pt@CNDs納米酶，不僅解決碳點(diǎn)SOD納米酶催化產(chǎn)物（H₂O₂）的氧化毒性問題，最終將自由基轉(zhuǎn)化為生物安全的水和氧氣，發(fā)揮級(jí)聯(lián)放大催化活性，而且在活體抗炎方面具有優(yōu)異的效果。

Pt@CNDs級(jí)聯(lián)納米酶的合成及清除活性氧（ROS）

上述研究成果以《SOD/CAT級(jí)聯(lián)催化活性的Pt@CNDs納米酶用于抗氧化治療研究》為題發(fā)表在《今日納米》（Nano Today）上，西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院張玉潔、高文慧為共同第一作者，西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院肝膽外科涂康生研究員及西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院張明真研究員和劉翠副教授為論文共同通訊作者。西安交通大學(xué)附屬醫(yī)院肝膽外科為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.101768

有效結(jié)合納米酶的理化特性和酶的活性將為疾病治療提供新思路。然而如何設(shè)計(jì)兼具良好理化性質(zhì)和酶活性的納米酶仍是納米酶學(xué)中的一大難題。課題組開發(fā)了一種新型的熒光碳點(diǎn)（C-dot）超氧化物歧化酶（SOD）納米酶，其熒光發(fā)射波長為683 nm，絕對量子產(chǎn)率高達(dá)14%，并顯示出超過4000 U/mg的SOD酶活性，這為納米酶本身在體內(nèi)的生物分布成像和治療炎癥疾病提供了巨大潛力。通過表面修飾，研究人員揭示了碳點(diǎn)表面的羧基、羥基和氨基都與SOD的酶活性密切相關(guān)。碳點(diǎn)表面的羧基、羥基和氨基均可通過氫鍵捕獲超氧陰離子。而碳點(diǎn)表面缺電子結(jié)構(gòu)能夠奪取超氧陰離子的一個(gè)電子，生成了氧氣和還原態(tài)碳點(diǎn)。由于碳點(diǎn)上大π-體系（C=C/C=N）與其獲得的電子形成p-π共軛，從而穩(wěn)定了中間產(chǎn)物（還原態(tài)碳點(diǎn)）。隨后，另一個(gè)超氧化物從還原態(tài)碳點(diǎn)中奪取一個(gè)電子，生成H₂O₂，而碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)得以恢復(fù)。此外，碳點(diǎn)納米酶能有效地進(jìn)入細(xì)胞，在線粒體中積累，并通過清除ROS和降低促炎癥因子的水平來保護(hù)活細(xì)胞免受氧化損傷。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳點(diǎn)SOD納米酶具有炎癥靶向性，其對小鼠急性肺損傷的治療效果與臨床藥物地塞米松相當(dāng)。這些研究成果將促進(jìn)具有高催化活性和良好熒光性能的超小納米酶的開發(fā)，并推動(dòng)其在炎癥性疾病治療中的應(yīng)用。

熒光/SOD酶活性雙功能碳點(diǎn)的催化機(jī)制研究及其在急性肺損傷治療中的應(yīng)用

上述研究成果以《紅色熒光發(fā)射的碳點(diǎn)超氧化物歧化酶納米酶用于改善急性肺損傷和生物成像》為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上，西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院副教授劉翠和華中科技大學(xué)協(xié)和深圳醫(yī)院胸外科范文斌副主任醫(yī)師為論文共同第一作者，深圳大學(xué)朱敏榮副教授、中科院生物物理研究所范克龍研究員和深圳市微納生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅擎穎副研究員為論文共同通訊作者。西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202213856

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)是一種慢性非特異性的腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)和克羅恩病(Crohn’s disease, CD)。UC局限于結(jié)腸，淺表黏膜炎癥向近端連續(xù)延伸，可導(dǎo)致潰瘍、大出血、中毒性巨結(jié)腸和暴發(fā)性結(jié)腸炎；而CD可累及消化道的任何部分，病變通常不連續(xù)，以透壁性炎癥為特征，可導(dǎo)致纖維化狹窄、瘺管和膿腫等并發(fā)癥。臨床上，IBD的治療手段主要包括非靶向療法(如氨基水楊酸鹽、糖皮質(zhì)激素和免疫調(diào)節(jié)劑)和靶向生物療法(如抗TNF制劑)。遺憾的是，這些藥物僅為對癥治療而不能治愈疾病。因此，發(fā)展IBD診療新技術(shù)、新方法，將為其綜合防治提供有效依據(jù)，具有重大社會(huì)需求。

課題組與第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院梁潔教授團(tuán)隊(duì)合作，通過熱溶劑法，利用谷胱甘肽和生物素合成了一種多功能碳點(diǎn)納米材料。該碳點(diǎn)具有良好的SOD酶活性，羥基自由基清除能力及較好的熒光性能。在IBD模型中，該納米酶不但可以改善腸道炎癥，且可以用于腸道在體熒光成像。因此，該研究拓展了抗氧化納米酶在IBD治療中的應(yīng)用。

兼具熒光成像/SOD酶活性的碳點(diǎn)納米酶合成及其在IBD治療中的應(yīng)用

上述研究成果以《具有類超氧化物歧化酶活性和紅色熒光的多功能碳點(diǎn)用于炎癥性腸病的治療》為題發(fā)表在《碳》（Carbon）上，西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院馬雅娜為論文第一作者，第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院梁潔教授，西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院劉翠副教授及張明真研究員為論文共同通訊作者。西安交通大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.006

來源：西安交通大學(xué)新聞網(wǎng)