【材料】南京大学魏辉课题组Chem.Soc.Rev.新一代人造酶——拥有酶特性纳米材料

　南京大学魏辉课题组 Chem.Soc.Rev.新一代的人造酶——拥有酶特性的纳米材料

　【引言】

　天然酶所存在的诸多问题（比如价格昂贵，稳定性低以及难以储存等）限制了他的使用，同时也刺激了多种人造酶的发展。在这些人造酶中，纳米酶被认为是新一代的酶类似物（拥有过氧化酶活性的磁性 Fe 3 O 4 纳米粒子于 2007 年被发现）。在 2013 年发表的第一篇纳米酶的综述中，纳米酶被定义为拥有酶特性的纳米材料。受天然酶启发，纳米酶拥有很多天然酶所不具备的优点，比如价格低廉、稳定以及可大量制备。纳米材料独特的生化性质不仅赋予了纳米酶多种功能，还可以实现多种设计和广泛应用。在过去的五年中，得益于纳米技术、生物技术、催化科学和计算科学的迅速发展，拥有高性能酶活性的纳米材料获得了重大迚展，包括控制酶活性、解释催化机理和扩展应用。目前为止，全世界有 200 多家研究机构在积极从事纳米酶研究，为其发展添砖加瓦。

　【成果简介】

　南京大学魏辉教授课题组在 Chem. Soc. Rev.上，发表了题为"Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzyme (Ⅱ)"的综述。这篇综述覆盖了各种类型的纳米酶及其在生物传感、诊疗和环境补救中的应用。除此之外，纳米酶所面临的挑战和未来发展也在文章中被讨论。

　【图文导读】

　 Figure 1.纳米酶发展的时间线

　Figure 2.纳米酶领域发表的文章数量

　Figure 3.纳米过氧化酶的催化机理

　图 4.V 2 O 5 纳米酶的机理和应用

　 (a).V 2 O 5 纳米线的催化机理 (b).V 2 O 5 纳米酶模拟 GPx 催化反应的示意图 (c).四种 V 2 O 5 纳米酶在不同浓度 H 2 O 2 中的 Michaelis-Menten图

　 图 5.pH 开关控制的金属模拟的酶反应

　图 6.石墨烯量子点的过氧化酶行为

　(a).石墨烯量子点功能部分的催化反应 (b).不同试剂处理过的石墨烯量子点的相对催化活性

　 图 7.基于金属有机框架的纳米酶

　(a).有机金属框架纳米片的合成示意图 (b).不同有机金属框架催化反应的动力学曲线 (c).二维和三维本体 Zn-TCPP(Fe) MOFs 催化反应的动力学曲线 (d).Cu 2+ 修饰的 Zr 4+ -5,5’-双吡啶酸桥联的 MOF 纳米粒子的合成 (e).Cu 2+ -NMOFs 催化的多巴胺的氧化速率

　 图 8.基于 Cu(OH) 2 超级笼子的纳米酶

　 (a).Cu(OH) 2 超级笼子的合成示意图 (b).Cu(OH) 2 超级笼子的表征 (c).Cu(OH) 2 超级笼子的氧化催化曲线

　 图 9.基于金纳米粒子的纳米酶

　 (a).金纳米粒子的催化机理 (b).GOx-类似的催化反应进行时的等离子带峰移动

　 图 10.基于含铜纳米粒子的纳米酶

　(a).含铜碳点催化底物 PPD 的反应示意图 (b).含铜碳点催化的紫外吸收时间依赖示意图 (c).Cu 2+ 与 GMP 反应形成漆酶类似物的示意图

　 图 11.纳米二氧化铈类似漆酶催化的机理

　图 12.基于金属氧化物纳米粒子的纳米酶

　 (a).Cu 2 O 纳米粒子类细胞色素 c 氧化酶的示意图 (b).MoO 3 纳米粒子的表面修饰 (c).MoO 3 纳米粒子类亚硫酸盐氧化酶的催化机理

　 图 13.超氧阴离子的表征

　(a).PBS, PEG 和 PEG-HCCs 对超氧阴离子的影响 (b).SOD 和 PEG-HCCs 对超氧阴离子淬灭速率的对比

　 图 14.H-RGO 杂化纳米片对过亚硝酸盐的异构化和还原的机理

　图 15.基于铈的纳米酶

　 (a).纳米铈用于超氧阴离子清除 (b).基于纳米铈的类 SOD 活性。

　 图 16.基于黑色素的纳米酶

　 (a).PEG, SOD, MeNPs 和 PEG-MeNPs 对超氧阴离子的影响 (b).MeNPs 和 PEG-MeNPs 对•OH 的影响 (c).PEG-MeNPs 对•NO 的影响 (d).PEG-MeNPs 对 ONOO-的影响

　 图 17.基于金纳米粒子的纳米酶

　 (a).修饰的金纳米粒子对 HPNPP 的转磷酸催化

　(b).RNA 双核酸的切断 (c).拥有不同极性的基于金纳米粒子的纳米酶 (d).不同极性纳米酶的 HPNPP 切断速率 (e).含有巯基的手性基团在金纳米粒子表面的自组装 (f).非共价组装在金纳米粒子表面的催化剂催化酯交换反应

　 图 18.基于有机金属框架的纳米酶

　 (a).有机金属框架的合成示意图

　(b).甲基膦酸二甲酯分解示意图 (c).有机金属框架催化 CWAs 降解示意图

　 图 19.基于金纳米粒子的纳米酶

　(a).多肽配体被非共价组装在金纳米粒子表面的催化剂催化

　(b).基于沸石的计算模型

　 图 20.最低能量吸附结构和反应能级

　图 21.基于复合物的纳米酶

　 (a).Pd-Ir 壳核结构纳米立方体作为有效过氧化酶类似物 (b).高效 Au@Pt 纳米粒子纳米酶的设计

　 图 22.基于复合物的纳米酶

　 (a).GOx/hemin@ZIF-8 示意图

　(b).ZIF-8 和 hemin@ZIF-8 的表征 (c).GOx/hemin@ZIF-8 的催化示意图 (d).基于荧光的动力学曲线

　 图 23.基于 Fe 3 O 4 的类过氧化酶纳米酶

　图 24.基于 Fe 3 O 4 的纳米酶通过模拟天然酶活性位点来提高酶活性

　 图 25.纳米酶活性受温度和 pH 的影响

　 (a).石墨烯的光热效应和光诱导的 pH 变化 (b).确定反应活性的反应式和通过改变光照时间改变金纳米粒子活性 (c).确定反应活性的反应式和通过改变光照时间改变 Fe 3 O 4 纳米粒子活性 (d).确定反应活性的反应式和通过改变光照时间改变铂纳米粒子活性

　 图 26.纳米酶活性受光照的影响

　 (a).光照诱导的顺反异构化来改变金纳米粒子的亲和性 (b).光照诱导的石墨烯量子点活性的变化

　 图 27.过氧化酶纳米酶用于 H 2 O 2 检测

　图 28.基于纳米铈的 H 2 O 2 检测

　 (a).通过替代纳米铈表面的荧光 DNA 检测 H 2 O 2 (b).FAM-A15 DNA 在加入 CeO 2 和 H 2 O 2 前后荧光照片 (c).H 2 O 2 诱导 DNA 释放的机理

　 图 29.基于金纳米酶催化的级联反应示意图

　 图 30.纳米酶在 DNA 检测中的应用

　 (a).中孔 Fe 2 O 3 纳米酶在 DNA 检测中的应用 (b).CeO 2 纳米粒子在 DNA 检测中的应用 (c).铂膜在 DNA 检测中的应用

　 图 31.纳米酶试纸

　 (a).金纳米酶试纸

　(b).用 Fe 3 O 4 纳米粒子替代金纳米粒子的纳米酶试纸 (c).纳米酶试纸 (d).金胶束试纸 (e).纳米酶试纸用于 EBOV-GP 检测

　 图 32.纳米酶检测 PSA

　 (a).金胶束包覆的 Pd-Ir 纳米粒子在检测疾病靶点中的应用 (b).金胶束包覆的 Pd-Ir 纳米粒子在检测 PSA 中的应用

　 图 33.金纳米粒子检测癌细胞

　 (a).多肽-金纳米粒子用于癌细胞检测 (b).叶酸修饰的 PtNPs/GO 纳米复合物用于癌症检测

　图 34.PVP 修饰的铂立方体用于银离子检测

　 (a).检测原理示意图 (b,c).653 nm 处吸收和银离子浓度的校准曲线

　 图 35.纳米二氧化铈用于氟离子检测

　 (a).氟离子增加二氧化铈的催化活性示意图 (b).不同的氟离子浓度对应的溶液颜色变化 (c).吸收变化与氟离子浓度的校准曲线 (d).对氟离子的选择性

　 图 36.纳米酶在其他物质检测中的应用

　(a).纳米二氧化铈在酶活性检测中的应用 (b).g-C 3 N 4 纳米片在外泌体检测中的应用

　 图 37.纳米酶在体内检测中的应用

　 (a).小鼠颅内葡萄糖的检测示意图 (b).小鼠脑缺血/再灌注示意图 (c).小鼠用 ATX 处理前后的葡萄糖和乳酸变化

　(d).利用 MOF 纳米酶监测肝素消除过程示意图 (e).小鼠动脉中肝素浓度的动态变化

　 图 38.基于 INAzyme 的活体检测

　 (a).基于 INAzyme 对小鼠体内神经化学物质的荧光检测 (b).基于 INAzyme 对小鼠脑内葡萄糖水平的检测

　 图 39.肿瘤组织的 M-HFn 染色

　 (a).M-HFn 的合成示意图 (b).M-HFn 靶向染色肿瘤组织

　 图 40.纳米酶用于生物膜成像

　 (a).金纳米粒子表面的配体结构 (b).利用 pH 响应的纳米粒子实现选择性靶向生物膜

　 图 41.猴子的 PET 成像图

　图 42.纳米二氧化铈在防止中风发作中的应用

　 (a).在中风发作过程中，不同浓度二氧化铈处理的老鼠的脑梗死体积 (b).纳米二氧化铈处理和未处理的脑切片

　 图 43.纳米二氧化铈在诊疗中的应用

　 (a).ANG 靶向大脑毛细血管上皮细胞示意图 (b).注入纳米二氧化铈后，正常脑组织中的纳米二氧化铈浓度随时间的变化 (c).中风 24 小时内，2,3,5-三苯基氯化四氮唑染色变化照片

　 图 44.V 2 O 5 纳米线用于细胞保护

　 (a) 对于白点区域的 SEM 图像：a 1 ) 背散射电子图像和 a 2 )二次电子图像；

　(b) 对应薄膜的 XRD 结果：b 1 ) 新鲜薄膜和 b 2 ) 空气老化薄膜；

　(c) 对应区域的高分辨拉曼光谱，插图为白色斑点的光学显微镜图像。

　(a).V 2 O 5 纳米线类似于 GPx 的抗氧化活性 (b).V 2 O 5 纳米线活性 (c,d).V 2 O 5 纳米线清除 H 2 O 2 的能力 (e).V 2 O 5 纳米线处理过的 HeLa 细胞在用 H 2 O 2 或 CuSO 4 处理前的 DCFA-H2 染色

　 图 45.在抗炎症中的应用

　(a).二氧化铈在炎症和脓毒症中的治疗 (b).Mn 3 O 4 纳米酶用于体内抗炎症 (c).Mn 3 O 4 纳米粒子和二氧化铈纳米粒子浓度和•OH 消除间的关系 (d).小鼠体内荧光成像

　 图 46.抗菌

　 (a).金色葡萄球菌用 Pd 纳米晶体处理后的生存率 (b).大肠杆菌用 Pd 纳米晶体处理后的生存率 (c,d).Pd 纳米晶体的膜穿透性

　 图 47.纳米晶体在癌症治疗中的应用

　 (a).Fe 3 O 4 @DMSNs 纳米催化剂和 GOx-Fe 3 O 4 @DMSNs 纳米催化剂的合成示意图 (b).GOx-Fe 3 O 4 @DMSNs 纳米催化剂的治疗机理

　 图 48.多孔碳纳米球在肿瘤治疗中的应用

　 (a).N-PCN 诱导肿瘤细胞破坏的示意图 (b).铁蛋白-PCNs 处理过的癌细胞和铁蛋白-PCN 的 TEM 图 (c).铁蛋白增加 N-PCNs 的胞吞 (d).铁蛋白-N-PCN 处理肿瘤后的肿瘤形貌变化 (e). 铁蛋白-N-PCN 处理肿瘤后的肿瘤体积变化

　 图 49.肿瘤的光动力学治疗

　 (a).MFMSNs 用于光动力学治疗的示意图 (b).肿瘤体积变化 (c).体内磁共振成像

　 图 50.载药中的应用

　 (a).纳米酶胞吞示意图 (b).利用生物正交的纳米酶进行前药活化

　 图 51.抗生物污染

　 (a).样品污染处理 (b).纳米粒子防止蛀齿

　【小结】

　这篇综述总结了纳米酶在各个领域中的发展和迚步，对其反应机理和催化性质调控迚行了深入探索。通过科研工作者的不懈努力，纳米酶已经在生物传感、治疗和环境调节等方面取得了很好的应用。

　文献：Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzyme (Ⅱ) (Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/c8cs00457a)