纳米酶模拟中性粒细胞多酶级联催化治疗肿瘤研究取得新进展

纳米酶模拟中性粒细胞多酶级联催化治疗肿瘤研究取得新进展

纳米酶是一类具有酶催化活性的纳米材料，因其稳定性高、可控性强等特点，在生物医学领域展现出巨大应用潜力。近日，中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士/范克龙研究员团队在Nature Communications发表最新研究成果，开发出一种模拟中性粒细胞多酶级联反应的纳米酶，为肿瘤治疗提供了新思路。

纳米酶：天然酶的有力替代品

纳米酶是一类新型催化剂，能够在生理或极端温度条件下催化酶的底物，作为天然酶的替代品服务于人类健康。与天然酶相比，纳米酶具有以下优势：

• 更高的稳定性
• 更好的可控性
• 多功能性
• 更容易大规模生产

基于这些特点，纳米酶已发展成为新兴交叉学科，并从体外诊断拓展到体内催化治疗领域。

肿瘤治疗中的挑战与突破

在肿瘤治疗领域，纳米酶催化过氧化氢（H2O2）产生活性氧自由基杀伤肿瘤细胞的策略具有很大潜力。然而，肿瘤微环境中H2O2浓度较低（低于0.1 mM），限制了这一策略的效果。

研究团队从中性粒细胞的杀伤机制中获得灵感。中性粒细胞通过氧化还原酶的多酶级联反应产生强氧化剂，有效杀伤肿瘤细胞或微生物。其中，超氧化物歧化酶（SOD）和髓过氧化物酶（MPO）是关键酶：

• SOD将超氧离子（O2·-）歧化为H2O2和氧气
• MPO利用H2O2和氯离子生成次氯酸（HClO）和单线态氧（1O2）

创新性纳米酶的研发

研究团队开发了一种同时具有类SOD和类MPO活性的纳米酶。通过调整合金比例，他们制备了一系列超小金属纳米酶（Au、Au3Pd1、Au2Pd2、Au1Pd3、Pd），并发现Au1Pd3合金纳米酶展现出最高的级联活性。

示意图：中性粒细胞酶促杀伤启发的纳米酶研发及其肿瘤催化治疗应用

DFT计算表明，Au1Pd3合金纳米酶的高催化活性源于其高d带中心和对O2·-的强相互作用。这种纳米酶能够模拟中性粒细胞的SOD-MPO级联杀伤作用，通过产生HClO和1O2引起DNA损伤和细胞凋亡。

临床前研究结果

在小鼠结肠癌CT26和乳腺癌4T1两种移植瘤模型中，Au1Pd3合金纳米酶显著抑制了肿瘤生长，并延长了荷瘤小鼠的生存期。此外，该纳米酶还表现出良好的体内安全性：

• 其催化底物O2·-在肿瘤细胞中的浓度高于正常细胞，使其具有肿瘤特异性
• 超小尺寸（小于6纳米）使其具备肾清除功能，避免体内长期积累

未来展望

这项研究不仅为肿瘤治疗提供了新思路，还可能推动以下领域的进展：

• 开发更多仿生治疗方法，用于抗菌、肿瘤等疾病的治疗
• 促进纳米酶模拟细胞器（如溶酶体、过氧化物酶体）的研究
• 发现和设计更多具有类MPO活性的纳米酶

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。