清华大学李亚栋院士团队研发新型纳米酶，为癌症治疗带来新突破
清华大学李亚栋院士团队研发新型纳米酶，为癌症治疗带来新突破
天然酶在辐射作用下容易失活，这对其在放射治疗中的应用构成了巨大挑战。在这一背景下，具有高结构稳定性的单原子纳米酶（SAzymes）成为替代天然酶、用于缩小肿瘤的有前途的候选药物。近期，清华大学李亚栋院士团队在这一领域取得了重要突破。
2024年7月22日，清华大学化学系李亚栋院士团队在期刊《Nature Communications》上发表了一项重要研究成果，题为“Enhancing radiation-resistance and peroxidase-like activity of single-atom copper nanozyme via local coordination manipulation”。研究团队开发了一种新型的CuN3-SAzyme，其过氧化物酶样催化活性远高于天然酶。
研究背景
在放射治疗过程中，天然酶容易因X射线和γ射线的辐射而失活。这些辐射会导致酶的结构发生永久性改变，从而影响其生物活性。因此，开发具有优异抗辐射性和优越酶活性的人工酶，是当前研究的重要方向。
纳米酶结合了生物催化剂和纳米材料的优点，具有低成本、高稳定性和易于储存等特性，近年来在肿瘤诊断和治疗领域受到广泛关注。单原子纳米酶（SAzymes）由于其可设计的几何结构和优化的原子利用率，成为酶治疗领域的研究热点。此外，碳材料对辐射损伤具有很强的抵抗力，可以作为SAzymes的基质，使其在高能辐射下保持结构稳定。
研究进展
研究团队开发的CuN3-SAzyme表现出显著的抗辐射特性。在宽泛的温度和pH值范围内，CuN3-SAzyme保持了高酶活性（≥80%），且没有形态变化，显示出比天然过氧化物酶更好的耐受性和温度稳定性。更有趣的是，在pH 3.54时，X射线辐射反而增强了CuN3-SAzyme的过氧化物酶样活性。
与天然酶相比，CuN3-SAzyme在X射线辐射下的表现尤为突出。天然过氧化物酶（HRP）在辐射剂量大于50 Gy时几乎完全失活，而CuN3-SAzyme即使在500 Gy的高辐射剂量下，酶活性也仅降低了10%。此外，CuN3-SAzyme在多次辐射周期后仍能保持酶活性，形貌和化学结构未发生变化。
CuN3-SAzyme的抗辐射性主要归因于其独特的结构特点：
- 活性位点仅包含1个Cu原子和3个N原子，相互作用强
- Cu含量低，减少了与X射线的相互作用概率
这些特性使得CuN3-SAzyme不仅对X射线具有抗辐射性，对γ射线也同样有效。
在肿瘤治疗应用方面，CuN3-SAzyme表现出有效且选择性的抑制能力。在近红外光和X射线的协同作用下，CuN3-SAzyme能够催化产生更多的活性氧（ROS）以杀死癌细胞，并且这种效果具有浓度依赖性。进一步的研究表明，CuN3-SAzyme能够诱导DNA双链断裂和线粒体膜电位损失，证实了其通过线粒体介导的细胞凋亡途径发挥作用。
安全性评估显示，CuN3-SAzyme具有良好的血液相容性，没有引起红细胞损伤。在主要器官中未观察到全身炎症或组织损伤，血常规检测和生化指标均在正常范围内，表明其作为局部给药的癌症治疗剂具有良好的安全性。
研究结论
研究团队通过理论和实验相结合的方法，开发出具有更高酶活性的CuN3-SAzyme。该纳米酶通过调节Cu-Nx协调结构，显著提高了酶活性和动力学性能。更重要的是，CuN3-SAzyme在反复X射线照射和高剂量照射后仍保持稳定，表现出优异的抗辐射性。
CuN3-SAzyme能够通过增强的放射酶方式完全根除癌细胞，并显著减少对正常组织的损伤。这种配位工程策略不仅为开发具有高酶活性和辐射抗性的纳米酶提供了新思路，还有望通过增强放射酶治疗扩展到多种疾病的治疗，为酶学应用开辟了新的前景。
这项研究由清华大学化学系李亚栋院士团队完成，发表在《Nature Communications》上，为癌症治疗领域带来了新的希望。