Advanced Materials | 深圳先進(jìn)院利用貴金屬-卟啉設(shè)計(jì)堅(jiān)固高效的單原子納米酶用于鼻咽癌的靶向催化治療
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院閻錫蘊(yùn)院士課題組在Advanced Materials上發(fā)表了題為Employing Noble Metal–Porphyrins to Engineer Robust and Highly Active Single-Atom Nanozymes for Targeted Catalytic Therapy in Nasopharyngeal Carcinoma的研究論文。該研究利用貴金屬-卟啉系統(tǒng)合成了高活性和穩(wěn)定的單原子納米酶。通過(guò)錨定在卟啉中心的金屬–N原子配位,成功合成了四種貴金屬-卟啉(MxP,x代表Pt、Pd、Ru、Ir),以模擬天然過(guò)氧化物酶的活性位點(diǎn)。并且設(shè)計(jì)了一種針對(duì)EB病毒相關(guān)的鼻咽癌的靶向單原子納米酶(MIrPHE)。這項(xiàng)研究不僅提出了增強(qiáng)單原子納米酶的催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性的創(chuàng)新策略,而且還強(qiáng)調(diào)了MIrP作為一種有效的納米藥物用于靶向催化腫瘤治療的巨大潛力。
納米酶是一類既有納米材料的獨(dú)特性能,又有催化功能的模擬酶。納米酶具有催化效率高、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和規(guī)?;苽涞奶攸c(diǎn),它在醫(yī)學(xué)、化工、食品、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,納米酶通常具有較低密度的活性位點(diǎn)和不均勻的元素組成,導(dǎo)致其催化活性遠(yuǎn)低于天然酶。單原子催化理念的提出促進(jìn)了具有精確配位結(jié)構(gòu)的單原子納米酶(SANzymes)的發(fā)展。原子級(jí)分散既提高了金屬原子的利用效率,又增加了活性位點(diǎn)的數(shù)量。同時(shí),明確的配位結(jié)構(gòu)為研究納米酶的催化機(jī)制提供了可靠模型。相比于催化活性,對(duì)SANzymes在催化反應(yīng)中的化學(xué)穩(wěn)定性的研究較少。特定酸堿溶液或氣體環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致SANzymes的活性位點(diǎn)脫落和中毒。此外,單原子的金屬表面自由能較高,容易引起活性位點(diǎn)的聚集,進(jìn)一步降低活性下降。因此,合成兼具高活性和化學(xué)穩(wěn)定性的SANzymes是其大規(guī)模應(yīng)用的必要條件。
在本文中,作者整合了貴金屬-卟啉系統(tǒng)和金屬有機(jī)框架(MOF)的優(yōu)勢(shì),從頭合成了4種貴金屬-卟啉MOF SANzymes(MxP,x代表Pt、Pd、Ru、Ir),它們具有單原子分散和化學(xué)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的特征。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行類過(guò)氧化物酶(POD)活性篩選和靶向修飾,實(shí)現(xiàn)了對(duì)EB病毒相關(guān)鼻咽癌的精準(zhǔn)靶向催化治療(圖1)。
研究首先對(duì)所制備的納米酶進(jìn)行了系統(tǒng)性表征(圖2),透射電鏡及動(dòng)態(tài)光散射等形貌分析揭示了MxP均呈近球形,粒徑約為150 nm。通過(guò)球差電鏡和元素表征分析,證明了所制備的MIrP和經(jīng)典的MFeP上的各元素分布均勻,特別是活性位點(diǎn)的金屬均呈單原子態(tài),負(fù)載量依次為Fe(6.17 wt%), Ir(5.45 wt%), Ru(5.26 wt%),Pt(8.39 wt%)和Pd(7.66 wt%)。
隨后,研究人員對(duì)MxP的POD活性進(jìn)行了評(píng)估(圖3)。研究發(fā)現(xiàn)MIrP的催化活性遠(yuǎn)高于其他的MxP和經(jīng)典的MFeP,其最適催化溫度和pH范圍均優(yōu)于天然辣根過(guò)氧化物酶(HRP)。相比于MFeP,MIrP能夠催化H2O2產(chǎn)生更高強(qiáng)度的自由基。重要的是,研究發(fā)現(xiàn)MIrP的比活力(Specific activity)為685.61 U mg?1,約為天然HRP酶(267.71 U mg?1)的2.6倍。據(jù)了解,MIrP是目前所有報(bào)道的SANzymes中POD活性最高的納米酶。
化學(xué)穩(wěn)定性一直是SANzymes研究領(lǐng)域內(nèi)不可忽略的問(wèn)題。為了評(píng)估MIrP是否能克服這一缺陷,接下來(lái)研究人員對(duì)MIrP和MFeP進(jìn)行了0-16周的常溫儲(chǔ)存,并檢測(cè)了材料在不同儲(chǔ)存時(shí)間的吸收特征和催化性能(圖4)。結(jié)果顯示不同儲(chǔ)存時(shí)間的MIrP在420 nm處均表現(xiàn)出穩(wěn)定的吸收峰。相比之下,MFeP的吸收峰在儲(chǔ)存8周后明顯下降,并在16周后衰減更加明顯。0 -1 mM的H2O2處理后,MIrP的紫外-可見吸收光譜和催化活性幾乎無(wú)變化。相反,隨著H2O2濃度的增加,MFeP的吸收峰和催化性能逐漸減弱。
最后,研究人員系統(tǒng)性評(píng)估了MIrPHE的體內(nèi)抗腫瘤性能(圖5)。通過(guò)在MIrP表面修飾EB病毒編碼的LMP1的天然配體 (?)-Epigallocatechin-3-Gallate,成功構(gòu)建出能夠靶向EB病毒相關(guān)鼻咽癌的納米酶(MIrPHE)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示MIrPHE能夠精確定位到腫瘤部位,基于超高的POD活性實(shí)現(xiàn)了出色的抗腫瘤作用。此外,MIrPHE還表現(xiàn)出高度的組織相容性和生物安全性。
綜上,本研究制備了多種貴金屬-卟啉,以產(chǎn)生高活性和穩(wěn)定的SANzymes,將開發(fā)的貴金屬-卟啉進(jìn)一步整合到穩(wěn)定且生物安全的Zr-MOF中,為設(shè)計(jì)和合成高性能、穩(wěn)定的SANzymes作為天然酶的替代品提供了寶貴的見解,并且所篩選的MIrP顯示出突出的抗腫瘤作用。
本文的共同第一作者為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院閻錫蘊(yùn)課題組助理研究員王大吉、王杰,江西師范大學(xué)副教授高雪嬌和深圳市第二人民醫(yī)院副研究員丁輝,通訊作者為深圳先進(jìn)院客座研究員閻錫蘊(yùn),課題組助理研究員王大吉,助理研究員王杰,深圳市第二人民醫(yī)院教授聶國(guó)輝,中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員范克龍作為共同通訊作者。深圳先進(jìn)院為該論文第一單位。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
圖1 | MxP的合成和靶向修飾策略(a)及其在EB病毒相關(guān)鼻咽癌的靶向催化治療中的應(yīng)用(b)
圖2 | MxP的形貌和元素表征
圖3 | MxP的POD活性表征
圖4 | MIrP的化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試
圖5 | 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)估MIrPHE的腫瘤靶向催化治療效果
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