清华大学梁琼麟教授与南昌大学辛洪波教授 Adv. Funct. Mater.：纳米酶从物质、类酶活性到生物应用的最新研究进展

导语

仿生材料的相关研究引起了科研工作者的广泛关注。作为仿生材料的子类别之一，人工酶的开发引了科研工作者的兴趣。作为人工酶的一种，纳米酶是一类既有纳米材料的独特性能，又有催化功能的模拟酶。近年来，由于纳米技术、生物技术、催化科学、计算设计和理论计算的飞速发展，纳米酶相关研究取得了长足的进步。为了突出纳米酶研究相关成果并帮助研究人员快速了解纳米酶的研究现状，清华大学梁琼麟教授与南昌大学辛洪波教授团队总结了纳米酶从制造材料到生物应用的最新研究进展。作者首先总结了不同的原材料用于制备纳米酶，包括基于金属、金属有机框架化合物、非金属以及其他材料；接着，简要讨论了纳米酶所具有的类酶催化性质；之后，讨论了纳米酶在抗氧化、疾病治疗、抗菌、生物传感、生物成像等生物领域的应用；最后，概述了纳米酶面临的挑战并展望了未来可能的研究方向。文章发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202110432）。

艾永建副研究员简介

艾永建，清华大学博士，南昌大学转化医学研究院副研究员，江西省科技项目评审专家。艾永建博士以化学-药学-医学基本原理为基础，设计新方法、开发新技术、发明制造新型药物分子与生物医用新材料，努力为新型药物的临床/产业化应用提供理论和技术支撑。作为骨干参与国家重点研发计划、国家重大专项、国防重大专项以及国家自然科学基金等国家级课题10余项。近年来共发表SCI论文52篇，以第一作者在Adv. Funct. Mater.（3篇）、Adv. Sci., Small.（2篇）、TrAC-Trend in Anal. Chem.、J. Mater. Chem. A.、Chem. Eng. J.等国际知名期刊发表论文16篇，IF>10的9篇，中科院一区12篇。论文总被引700余次，H因子17。申请发明专利11项，已授权8项。

辛洪波教授简介

辛洪波，南昌大学教授、博士生导师、南昌大学转化医学研究院院长。辛洪波教授主要从事心肌、骨骼肌和平滑肌肌质网钙释放通道的生理学、生物化学和分子生物学研究，着力于：1）肌质网或内质网钙动员分别在心肌、股胳肌和平滑肌等肌肉细胞的兴奋—收缩偶联和胰岛b细胞等内分泌腺的兴奋—分泌偶联中的作用；2）小鼠的功能基因组学研究；3）基因和生物工程药物的研发。在Nature、PNAS、Circulation、Nucleic Acids Research、Circulation Research等重要学术期刊上发表SCI论文150余篇。主持科技部“重大新药创制”、“重大研究计划”、科技部“973专项”、国家自然科学基金面上项目等20余项，获科研经费近亿元，省部级以上科技奖励7项。

梁琼麟教授简介

勘误：清华大学长聘教授，详见评论区置顶。洪波，南昌大学教授、博士生导师、南昌大学转化医学研究院院长。辛洪波教授主要从事心肌、骨骼肌和平滑肌肌质网钙释放通道的生理学、生物化学和分子生物学研究，着力于：1）肌质网或内质网钙动员分别在心肌、股胳肌和平滑肌等肌肉细胞的兴奋—收缩偶联和胰岛b细胞等内分泌腺的兴奋—分泌偶联中的作用；2）小鼠的功能基因组学研究；3）基因和生物工程药物的研发。在Nature、PNAS、Circulation、Nucleic Acids Research、Circulation Research等重要学术期刊上发表SCI论文150余篇。主持科技部“重大新药创制”、“重大研究计划”、科技部“973专项”、国家自然科学基金面上项目等20余项，获科研经费近亿元，省部级以上科技奖励7项。

前沿科研成果

纳米酶最新研究进展：从物质、类酶活性到生物应用

酶是由细胞产生的具有催化活性的有机物质，其中大部分为蛋白质，少部分为RNA。尽管天然酶具有广阔的前景，但它们存在一些固有的缺点，如制备和纯化成本高、稳定性差、对反应环境敏感、难以回收和再利用等。纳米酶是一类既有纳米材料的独特性能，又有催化功能的模拟酶。自阎锡蕴院士在2007年发现铁磁性四氧化三铁纳米粒子具有类酶活性以来，大量科学家将注意力集中于纳米酶并开发了大量的纳米酶。

作为一种人工酶，纳米酶具有成本低、稳定性高、易改性、催化活性可调等诸多独特优势。纳米酶已广泛应用于生物传感、生物成像、抗菌、抗氧化、疾病治疗及环境保护等领域。为了让化学、生物学、纳米技术、药学和医学等领域的相关研究人员更快、更及时地了解纳米酶近年来的研究进展，作者总结了纳米酶的制备原料、类酶催化活性及其生物应用（图1）。

图1. 纳米酶制备的原料，类酶催化活性及其生物应用。

（图片来源：Adv. Funct. Mater.）

（一）类酶活性

纳米酶是具有类酶特性的纳米材料。研究表明，磁性氧化铁纳米颗粒、铂纳米颗粒、氧化锰纳米颗粒、金纳米颗粒和五氧化二钒纳米线可以模拟天然酶实现抗氧化的效果。虽然它们表现出优异的酶催化活性，但它们的酶学性质却不同。它们分别表现出了类过氧化物酶（POD）、类过氧化氢酶（CAT）、类超氧化物歧化酶（SOD）、类葡萄糖氧化酶（GOx）和类谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）类的催化活性。在此，作者简要总结纳米酶的不同类酶催化活性，即类过氧化物酶、类过氧化氢酶、类超氧化物歧化酶、类葡萄糖氧化酶和类谷胱甘肽过氧化物酶类等（图2）。

图2. 纳米酶的主要类酶催化活性。

（图片来源：Adv. Funct. Mater.）

（二）不同物质用于纳米酶的制备

原材料以不同方式影响纳米酶的性质，例如，化学成分（如金属基或非金属基）、合成方法（如浸渍、共沉淀、沉积-沉淀、水热/溶剂热）、存在形式（如球形、棒状、环形、空心结构）等。据报道，已有约40种元素用于制备130多种纳米酶。由于纳米技术、工程和计算机模拟的快速发展，拓宽了对新型纳米酶的探索。在大多数催化过程中，催化剂的活性位点通常是金属，尤其是过渡金属。它们的空d或f轨道能够与底物分子发生相互作用而形成具有较低能垒的过渡态，降低整个反应的活化能，从而加快反应的速率。金属元素例如 Fe、Co、Ni、Cu、Zn、V、Mn、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ce、Pt 和 Au等被广泛应用于制备纳米酶（图 3）。作者对单金属基、双金属基、多金属基、金属氧化物基、金属复合材料基和金属离子纳米酶的构筑、酶活性及其特点进行了系统的归纳和评价。

此外，在基于金属纳米材料的纳米酶研究中，金属-有机框架材料（MOF）基纳米酶已成为纳米酶学领域的一个重要研究分支。为此，作者专门总结了近年来基于MOF的纳米酶的研究进展。MOF基纳米酶具有孔径和形状可操控、比表面积大、易修饰和活性位点较多等优点。此外，由于具有特殊的结构和多个暴露的金属活性位点而显示出色的酶催化活性。另外，在MOF基纳米酶中引入缺陷可以精细地调控MOF的酶催化性能。

在本论文中，作者详细概述了基于非金属元素（C、Se及非金属聚合物）的纳米酶。非金属纳米酶大部分没有空轨道而使得其难以参与催化过程。近年来，由于纳米科学的发展，对非金属纳米酶的前驱体进行处理可以改变材料的纳米结构，从而使得非金属纳米酶表现出类酶催化活性。

图3. 不同物质用于纳米酶的制备。

（图片来源：Adv. Funct. Mater.）

在纳米酶的早期研究中，科研工作者聚焦于开发具有类生物酶活性或者特征的纳米酶。随着纳米酶研究的不断深入，科研人员不仅限于研究纳米酶物理性质和催化性能。近年来，纳米酶在复杂体系中的应用也吸引了大量科研工作者。纳米酶的应用范围从生物标志物的体外检测到各种疾病的体内成像分析，从体内活性氧的清除到体外活性氧的产生，从简单的抗菌应用到复杂的抗肿瘤研究等。为此，作者深入总结评论了纳米酶在抗氧化、疾病治疗、抗菌、传感、成像等领域的应用及其作用机制（图4）。

图4. 纳米酶的各种生物应用。

（图片来源：Adv. Funct. Mater.）

最后，作者对纳米酶的研究做了总结和展望。纳米酶学虽然取得了很大的成就，但仍存在一些瓶颈，限制了纳米酶的进一步发展和应用。例如，与传统的纳米材料制备方法相比，纳米酶的制备方法没有突破、纳米酶的大规模生产容易受到反应条件的影响、纳米酶的催化活性和选择性仍远低于相应的天然生物酶。由于研究人员的不断努力，随着材料、化学和微纳加工技术的不断发展，所有这些困难都可以得到解决。例如，微流控技术等新技术可为纳米酶的制备带来新的发展机遇；单原子纳米酶为纳米酶的活性提供新的思路，逐渐成为纳米酶领域的研究前沿。在纳米酶的应用方面，已报道的抗氧化、抗菌、疾病治疗、生物传感和生物成像方面的工作仍主要集中在实验室研究上。到目前为止，纳米酶离工业需求还很远。它们仍然不能满足实际应用的要求。例如，纳米酶的生物安全性和潜在毒性。因此，研究人员需要专注于开发用于疾病治疗的低毒、高效纳米酶。作者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领域的研究人员有所启发，为纳米酶学的发展做出贡献。

相关论文近期以“Recent Advances in Nanozymes: from Matters to Bioapplications”为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202110432）。该论文的第一作者为南昌大学转化医学研究院副研究员艾永建博士，通讯作者为广东工业大学梁晓萍副教授、南昌大学辛洪波教授和清华大学梁琼麟教授。东北大学孙宏滨教授和博士生胡泽楠为论文的共同作者。上述工作得到了国家重点研发项目、国家重大专项、国防重大专项和国家自然科学基金等项目的资助。

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