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清华梁琼麟/南昌大学辛洪波/广工梁晓萍《AFM》:纳米酶最新综述,从科研到应用!
2021年12月21日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

酶作为一种强大的生物催化剂,在相对温和的条件下,无论是体内还是体外的生化反应都具有较高的特异性和催化效率。由于其本身存在制备纯化费用高、操作稳定性差、对反应环境敏感、难以回收再利用等缺点,人工仿生材料-尤其是纳米酶技术应运而生。纳米酶作为一种人工酶,具有成本低、稳定性高、易改性、催化活性可调等诸多独特优势,致力于解决天然酶的局限性而受到广泛研究和应用中国化工网okmart.com


清华大学梁琼麟、南昌大学辛洪波、和广东工业大学梁晓萍团队合作,对纳米酶从制备材料、催化活性到生物应用的最新进展进行了综述。相关工作以“Recent Advances in Nanozymes: From Matters to Bioapplications”发表在《Advanced Functional Materials》。

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图1 综述概述:从制备材料、酶活性、生物应用等方面综述了纳米酶的研究进展


【纳米酶的制备原料和催化活性】

纳米酶是一种具有类酶特性的纳米材料。原料以不同的方式影响纳米酶的性质,包括化学成分(如金属基或非金属基;单一金属元素基、双金属元素基、多金属元素和金属-有机骨架基;纳米粒子;凝胶材料;混合半导体聚合物材料等等),合成方法(如浸渍、共沉淀法、沉积-沉淀法、水热/溶剂热法等),存在形式(如球形、棒状、环状、空心结构等)。在制备过程中,纳米酶表现出类似过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)样、超氧化物歧化酶(SOD)样、葡萄糖氧化酶(GOx)样和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)样酶的催化活性。对于大多数已报道的纳米酶,它们可以作为氧化酶模拟物、POD模拟物、CAT模拟物、SOD模拟物、水解酶模拟物等。

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图2 纳米酶的主要类酶催化活性

【纳米酶的广泛应用】

纳米酶已被证明具有与天然酶相似的催化活性,正成为天然酶的强大竞争对手。科学家们已不再局限于研究纳米酶的性质和催化能力,而是致力于更深入地了解纳米酶并探索其复杂的应用。科学家的研究内容从生物标志物的体外生物传感、活性氧的去除、简单的抗菌应用到各种疾病的体内成像、活性氧的产生和抗肿瘤研究等等。

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图3 纳米酶的各种生物应用

1.抗氧化:一种优秀的抗氧化剂应该具有清除多种自由基的能力,才能更好地适应市场的需要。体外和体内实验结果均表明一种高度集成的二氧化锰封装硒黑素纳米酶(Se@Me@MnO2) 能有效清除H2O2、HO•和O2•−,并具有SOD、CAT和GPx类模拟活性三方协同作用,具有抗氧化应激的炎症治疗作用。

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图4 应用纳米酶清除活性氧

2.疾病治疗:利用纳米酶作为特异性毒性制剂的策略已被引入到癌症治疗中,纳米酶可以特异性地杀死肿瘤,而不会对周围正常组织产生毒副作用,已被广泛应用于肿瘤治疗或辅助强化化疗、放疗、化学动力治疗(CDT)、光动力治疗(PDT)、光热治疗(PTT)、饥饿治疗、免疫治疗等领域。此外,纳米酶还被用于治疗其他疾病,如中风、脑外伤、炎症等。

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图5 应用纳米酶进行疾病治疗

3.抑菌:受到破坏细胞结构和干扰新陈代谢的天然酶的启发,通过合理的设计可以制备具有细菌选择性的纳米酶。广谱纳米酶“抗菌剂”如Au/g-C3N4混合物、Cu2WS4纳米晶体、银离子注入卟啉MOF、和铜/碳混合物均具有酶样抗菌性能的抗菌剂。

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图6 纳米酶的抑菌作用

4.生物传感:纳米酶在生物传感领域有许多应用,特别是用于一些重要的生物靶分子的检测,如血糖、谷胱甘肽、磷酸酶、尿酸、ROS等,它具有线性范围大、检测下限低、灵敏度高、出结果快等优势。

5.成像:纳米酶已广泛用于体外检测和体内疾病监测,如病理疾病诊断、活细胞和器官成像。成像用纳米酶通常出现在多功能纳米酶中。也就是说,制备的纳米酶除了具有成像功能外,通常还具有其他功能,例如具有更好的疾病治疗效果。此外,纳米酶参与的纳米反应器有望用于智能、准确和无创的癌症治疗。

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图7 用于光声成像的外泌体样纳米酶囊泡

【总结和展望】

纳米酶作为天然酶的仿制品,具有成本低、制备方便、稳定性好、耐久性好等优点。它们已被广泛应用于传感、抗菌、癌症治疗、抗氧化、环保等领域。本文就纳米酶的材料、酶活性、生物应用等方面的研究进展展开叙述。虽然纳米酶学已经取得了很大的成就,但仍存在一些瓶颈,限制了纳米酶的进一步发展和应用,比如:a.纳米酶的制备方法并无突破;b. 纳米酶的大规模生产容易受到反应条件的影响;c. 纳米酶的催化活性和选择性仍然远远低于相应的天然对应物;d. 尚未成功构建具有较高底物选择性和催化效率的新型纳米酶;e. 纳米酶催化动力学和机理研究远远不够;f. 纳米酶的应用主要集中在实验室,还远远不能满足工业需求;g.纳米酶的生物安全性和潜在毒性尚不明确等等。第一作者艾永建副教授希望这篇综述能够对纳米技术、化学、生物学、材料科学和理论计算等领域的研究有所启发,促进纳米酶的又好又快的发展。


标签:催化剂及助剂技术中心今日头条精细化学品生物化学生物制药
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