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浙大凌代舜JACS：基于生物降解实现纳米酶催化活性的精确调控

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-01-21 07:00

正文

▲第一作者：胡希，李方园，夏凡；通讯作者：凌代舜

通讯单位：浙江大学

论文DOI：10.1021/jacs.9b13586

全文速览

本文提出一种通过 pH 响应型生物降解，精确调控纳米酶催化活性的新型策略，并首次设计合成了在酸性环境高效催化，而在中性环境快速降解失活的海胆状氧化钼（MoO _3-x NUs）纳米酶。MoO _3-x NUs 纳米酶具备过氧化氢酶（CAT）和氧化酶（OXD）双重类酶活性，在肿瘤部位级联催化产生大量 ˙O ₂ ⁻ ，高效杀伤肿瘤细胞；而一旦扩散至正常组织，MoO _3-x NUs 纳米酶快速降解为钼酸根离子，并经肾排出体外，确保其生物安全性。

背景介绍

纳米酶是具有酶样性质的催化纳米材料，已被广泛应用于肿瘤治疗和诊断领域。然而，如何精确调控纳米酶的体内催化活性，在确保抗肿瘤疗效的同时对正常组织安全无毒，是目前纳米酶领域面临的难题之一。目前，已有研究报道 MoO ₃ 纳米粒子凭借自身 Mo ^V 和 Mo ^VI 之间价态的变化，展现出类亚硫酸盐氧化酶活性 ¹ 。此外，据报道，分枝状结构的纳米材料因具有更多的表面缺陷位点和较大的活性表面积，而表现出较高的反应活性 ² 。比如，与片层状、立方体型、多面体型四氧化三猛纳米粒相比，花状四氧化三锰纳米粒具有更高的 CAT、SOD 和谷胱甘肽过氧化物酶等类酶活性 ³ 。

研究出发点

在自然界中，生物酶的活性与其特定的结构密切相关。例如，当抗病毒酶 APOBEC3G 被蛋白酶体降解后，其对病毒 cDNA 复制的酶促作用将会被抑制 ⁴ 。受到生物酶三维空间结构与酶活性之间关系的启发，我们设想通过生物降解控制纳米酶结构，进而实现对纳米酶催化活性的精确调控。通过化学合成手段提高 MoO _3-x 表面 Mo ^v 比例和表面缺陷位点，使其具备 CAT 和 OXD 双重类酶活性。MoO _3-x NUs 纳米酶在肿瘤微酸环境中高效催化 “H ₂ O ₂ →O ₂ →˙O ₂ ⁻ ” 级联反应，产生大量 ˙O ₂ ⁻ 高效杀伤肿瘤细胞；而一旦扩散至正常组织，MoO _3-x NUs纳米酶快速生物降解并失去酶活性。也就是说，微酸性条件触发产生的细胞毒性的 ˙O ₂ ⁻ 和中性条件触发的氧化降解共同导致 MoO _3-x NUs 在肿瘤组织中“高毒”、而在正常组织中“无毒”两种极端性质的智能选择性转换。

图文解析

首先，常压加热得到氧化钼纳米中间体，随后在高压溶剂热条件下以体系中的油酸（OA）和十六胺（HDA）为刻蚀剂，得到中空海胆状 MoO _3-x 纳米酶。中空海胆状 MoO _3-x 纳米酶富含还原态的 Mo ^V 和表面缺陷位点，因此具备较高的反应活性。在中性和碱性环境中， MoO _3-x NUs 纳米酶易于氧化降解；而 MoO _3-x 纳米酶在酸性环境中相对稳定，并且能与 H ₂ O ₂ 反应产生大量 ˙O ₂ ⁻ ，这为后续特异性治疗具有微酸性病理学特性和较高水平 H ₂ O ₂ 含量的肿瘤奠定了材料学基础。

细胞层面上，MoO _3-x NUs 纳米酶相较于片层状纳米氧化钼（MoO _3-x NSs）有更高的反应活性和肿瘤特异性治疗优势。MoO _3-x NUs 纳米酶可以在肿瘤微酸环境中与胞内 H ₂ O ₂ 反应产生细胞毒的 ˙O ₂ ⁻ 进而显著提高 ROS 水平，并降低线粒体膜电位。Western Blot 结果也证明，MoO _3-x NUs 纳米酶在肿瘤细胞内的级联催化治疗会提高肿瘤细胞内 cleaved PARP、cleaved caspase-3 的表达水平，以及 Bax/Bcl2 的比例，即诱导细胞凋亡。

中性环境中，MoO _3-x NUs 纳米酶经生物降解，失去酶活性。并且离子型降解产物不仅无明显细胞毒性，而且可经肾清除，确保了其在正常生理环境中的生物安全性。

MoO _3-x NUs 纳米酶不仅能够在光声成像指导下，显著提升肿瘤组织中的 ROS 水平，并高效抑制肿瘤生长，而且在动物模型体内具备良好的生物安全性，为构建催化活性精确可控的纳米酶提供新的思路。

总结与展望

通过调控化学反应条件，我们设计并制备具有 CAT 和 OXD 双重类酶活性的 MoO _3-x NUs 纳米酶。MoO _3-x NUs 纳米酶具有丰富 Mo ^V 和表面缺陷位点，在肿瘤部位通过催化级联反应（“H ₂ O ₂ →O ₂ →˙O ₂ ⁻ ”），产生大量 ˙O ₂ ⁻ 进而高效杀伤肿瘤细胞；而一旦扩散至正常组织，MoO _3-x NUs 纳米酶被快速生物降解，产物钼酸根离子快速经肾排出体外并且生物相容性良好。可见，通过 pH 响应型生物降解实现纳米酶催化活性精确调控的新型策略，有望为构建催化活性精确可控的纳米酶提供新的思路。

参考文献

1 . Ragg, R.; Natalio, F.; Tahir, M. N.; Janssen, H.; Kashyap, A.; Strand, D.; Strand, S.; Tremel, W. Molybdenum trioxide nanoparticles with intrinsic sulfite oxidase activity. ACS Nano 2014, 8, 5182-5189.

2 . Ye, E.; Regulacio, M. D.; Zhang, S. Y.; Loh, X. J.; Han, M. Y. Anisotrop-ically branched metal nanostructures. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 6001-6017.

3. Singh, N.; Savanur, M. A.; Srivastava, S.; D'Silva, P.; Mugesh, G. A redox modulatory Mn3O4 nanozyme with multi‐enzyme activity provides efficient cytoprotection to human cells in a Parkinson's disease model. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14267-14271.

4 . Sheehy, A. M.; Gaddis, N. C.; Malim, M. H. The antiretroviral en-zyme APOBEC3G is degraded by the proteasome in response to HIV-1 Vif. Nat. Med. 2003, 9, 1404-1407.

课题组介绍

课题组主页：https://person.zju.edu.cn/ling

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1. 仪器表征基础知识汇总

2. SCI论文写作专题汇总

3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总

4. 理论化学

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