国科温州研究院：纳米酶级联催化系统在癌症治疗中的理性设计与机制研究
国科温州研究院：纳米酶级联催化系统在癌症治疗中的理性设计与机制研究
在癌症治疗领域，传统方法如手术、化疗和放疗虽然在一定程度上有效，但存在明显的局限性，例如手术创伤大、化疗药物的毒副作用以及放疗对正常组织的损伤。这些问题促使医学界不断探索新的治疗方法，以提高癌症治疗的精准性、有效性和安全性。近年来，精准医疗的概念逐渐兴起，强调根据患者的个体特征制定个性化的治疗方案，以提高治疗效果并减少副作用。在这种背景下，纳米技术因其在药物递送、靶向治疗和生物成像等方面的优势，逐渐成为癌症治疗领域的研究热点。
纳米酶的催化机制
纳米酶作为纳米技术的一个重要分支，因其独特的物理化学性质和酶类似催化功能，展现出巨大的应用潜力。纳米酶能够催化肿瘤相关物质生成毒性活性氧（ROS），诱导氧化应激，促进癌细胞死亡。这种基于催化反应的治疗策略为癌症治疗提供了新的思路。
图1 纳米酶的主要酶类催化活性及其催化反应机制的示意图
纳米酶可以模拟过氧化物酶（POD）的活性，催化过氧化氢（H₂O₂）氧化色原底物（如TMB、ABTS等），生成有色产物和羟基自由基（·OH），从而诱导氧化应激并促进癌细胞死亡。同时，纳米酶还可以模拟氧化酶（OXD）的活性，催化葡萄糖等底物氧化生成过氧化氢（H₂O₂）和相应的氧化产物，为后续的催化反应提供底物。此外，纳米酶能够模拟过氧化氢酶（CAT）的活性，将过氧化氢（H₂O₂）分解为水（H₂O）和氧气（O₂），有效缓解肿瘤组织的缺氧状态，提高治疗效果。另外，纳米酶还可以模拟超氧化物歧化酶（SOD）的活性，将超氧阴离子（·O₂⁻）歧化为氧气（O₂）和过氧化氢（H₂O₂），有助于调节细胞内的氧化应激水平。
纳米酶的活性调控机制
图14 纳米酶介导的级联催化疗法在肿瘤治疗中的应用及其作用机制
文章系统地展示了纳米酶在癌症治疗中的设计、调控、应用及其机制。其中探讨了纳米酶的尺寸对其催化活性的影响，揭示了尺寸减小如何通过增加比表面积和暴露更多活性位点来提升催化效率。进一步分析了纳米酶的形态、晶体结构、组成、价态和表面修饰等内部因素对其催化活性的调控作用，同时考察了光、温度和pH等外部因素如何影响纳米酶的性能。
纳米酶的靶向设计与应用
作者展示了纳米酶通过靶向连接实现精准治疗的过程，包括纳米酶与肿瘤靶向分子（如肽段、抗体等）的结合，以及在体内实验中纳米酶对肿瘤的特异性积累和治疗效果。另外，探讨了通过生物膜（如红细胞膜、肿瘤细胞膜等）或纳米材料（如脂质体、聚合物等）对纳米酶进行表面修饰，以提高其生物相容性、延长血液循环时间和增强肿瘤靶向能力。这些策略不仅提高了纳米酶在肿瘤组织中的富集效率，还显著减少了对正常组织的副作用，为纳米酶在癌症治疗中的临床应用提供了重要的理论和实验依据。
自级联纳米酶的设计与应用
作者通过多个实例，展示了自级联纳米酶的设计与应用，这些纳米酶通过自身的多种酶活性（如氧化酶、过氧化物酶等）实现级联反应，从而在肿瘤微环境中高效生成活性氧（ROS），增强治疗效果。研究人员构建混合纳米酶，这些系统通过将不同纳米酶或纳米酶与天然酶结合，实现更复杂的级联催化反应，进一步提高治疗效率和特异性。这些研究不仅展示了纳米酶在癌症治疗中的潜力，还为开发新型高效纳米酶级联催化系统提供了重要的参考。
总结与展望
本文全面探讨了纳米酶在癌症催化治疗中的应用，重点讨论了纳米酶的分类、催化机制、活性调控策略，以及级联催化系统的构建和应用。文章详细分析了纳米酶在癌症治疗中的潜在机制，并对未来的发展方向提出了展望。研究结果表明，通过合理设计和优化纳米酶的结构和功能，可以显著提高其在肿瘤治疗中的效率和特异性，为癌症治疗提供了新的策略和方法。
本文原文发表于《Chemical Reviews》，详细内容可参考原文：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00882