国科温州研究院Chemical Reviews：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

BioMed科技 · 公众号 · · 2025-01-31 18:14

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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。然而，纳米酶技术在实际应用中仍面临诸多挑战。肿瘤微环境（ TME ）的复杂性，如低氧、酸性、高还原性等特点，限制了纳米酶的催化活性。此外，纳米酶的催化效率和特异性仍有待提高，其在体内应用时需要考虑生物相容性、代谢途径和潜在的毒副作用。

纳米酶技术的发展需要材料科学、化学、生物学和医学等多学科的交叉合作。材料科学家致力于开发新型纳米材料，提高纳米酶的催化性能和稳定性；化学家通过表面修饰和功能化，增强纳米酶的靶向性和生物相容性；生物学家研究纳米酶在细胞和生物体内的行为，评估其安全性和有效性；医学专家则将纳米酶技术应用于临床前和临床研究，探索其在癌症治疗中的实际应用。这种跨学科的研究模式能够推动纳米酶技术的不断创新和应用，为癌症治疗提供更高效、更精准的解决方案。

国科温州研究院 Wang Jin 等人 详细讨论了纳米酶的分类、催化机制以及影响其活性的因素，并总结了近年来在纳米酶级联催化系统构建方面的研究进展。此外，本文还深入分析了纳米酶在癌症治疗中的潜在机制。相关研究以“Rational Design of Nanozymes for Engineered Cascade Catalytic Cancer Therapy”为题发表在《 Chemical Reviews 》上。

【 主要内容 】

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（ H ₂ O ₂ ）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（ H ₂ O ₂ ）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（ H ₂ O ₂ ）分解为水（ H ₂ O ）和氧气（ O ₂ ），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（· O ₂⁻ ）歧化为氧气（ O ₂ ）和过氧化氢（ H ₂ O ₂ ），有助于调节细胞内的氧化应激水平。

图2 纳米酶催化活性的尺寸调控机制

图3 纳米酶催化活性的形态和晶体结构调控机制

图4 纳米酶催化活性的组分调控机制

图5 纳米酶催化活性的价态调控机制

图 6 纳米酶催化活性的表面改性调控机制

图7 纳米酶催化活性的光调控机制

图8 纳米酶催化活性的温度调控机制

图9 纳米酶催化活性的PH调控机制

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。

图10 纳米酶的靶向设计

图11 纳米酶的表面改性

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。

图12 自级联纳米酶的设计

图13 自级联纳米酶的应用

国科温州研究院Chemical Reviews：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

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