國家納米中心在單原子酶用于腫瘤催化治療方面取得進展

近日，中國科學院國家納米科學中心研究員陳春英團隊和研究員楊蓉團隊在單原子納米酶用于腫瘤催化治療方面取得進展。相關研究成果以“Tumor-Microenvironment-Responsive Cascade Reactions by a Cobalt-Single-Atom Nanozyme for Synergistic Nanocatalytic Chemotherapy”為題發表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。

近年來，基于腫瘤微環境（TME）響應產生活性氧（ROS）的納米催化療法受到廣泛關注。然而，納米材料模擬酶（簡稱“納米酶”）有著多種表面構象和晶體結構，以及不均一的元素分布，因而衍生出復雜的催化機制，對提升其類酶活性和特異性帶來了挑戰。如何合理設計和有效模擬生物酶的活性位點和空間構象，仍然是一個關鍵而極具挑戰性的研究方向。

單原子納米酶是新近發展起來的一類納米酶，具有可設計的幾何結構和電子配位、獨特的量子尺寸效應和最大限度的原子利用效率，為橋連納米酶和天然酶創造了重要機遇。受天然酶結構啟發，人們通過模擬其金屬-Nx活性單元，陸續開發出一些仿生單原子納米酶。其中，以TME過表達的H2O2為反應底物，這些單原子納米酶通過芬頓反應可產生羥基自由基等活性氧物種。然而，由于腫瘤組織H2O2濃度有限，迫切需要探索高效產生ROS的新型化學反應路徑。

▲Co-SAs@NC啟動腫瘤微環境響應的級聯反應用于腫瘤催化治療

Co是一種人體不可或缺的微量元素，廣泛存在于維生素B12（鈷胺素）中，該中心Co離子與四吡咯咕啉環配位，具有參與制造骨髓紅細胞、防止惡性貧血和保護大腦神經系統等功能。研究人員研發了一種通過Co單原子納米酶啟動級聯酶促反應進行腫瘤催化治療的新策略。這種納米酶由氮摻雜的多孔碳負載Co單原子（Co-SAs@NC）組成，有著比表面積大、高度分散的原子位點和Co-N配位結構等優勢。在級聯催化反應中，它首先發揮類似過氧化氫酶（CAT）活性，將腫瘤細胞內源性H2O2分解產生O2，隨后表現類氧化酶（OD）活性，將O2還原成超氧陰離子（O2-）自由基，引發腫瘤細胞凋亡。進一步與化療藥物（阿霉素）聯用，顯著增強了抗腫瘤效果。

該材料通過配位-熱解-腐蝕過程制備得到，并用球差電鏡、同步輻射等表征技術證實了其單原子結構。Co-SAs@NC顯示出高效的類CAT活性，其分解H2O2產生O2的表觀活化能由Arrhenius方程測定為34.1 kJ mol-1，低于氮摻雜的多孔碳負載的Co納米顆粒（43.1 kJ mol-1）、過氧化氫酶（46.4 kJ mol-1）和H2O2熱分解需要的能量（210 kJ mol-1）。同時，其具有較寬的溫度使用范圍（30℃-75℃）和可回用能力。通過米氏方程考察其穩態動力學，發現其催化常數（kw）高于很多已知的CAT模擬酶。更為獨特的是，在級聯催化反應中，Co-SAs@NC能有效激活類似CAT催化所生成的O2而發生類似OD催化，導致產生O2-作為關鍵活性氧物種，同時可抑制類似過氧化物酶（POD）活性。DFT計算結果表明，O2比H2O2在Co-N4位點有更低的吸附能（-0.81 eV vs.-0.32 eV），這種優先的O2吸附及其活化造成O-O鍵長拉伸（從1.20埃到1.29埃），最終使得材料對OD催化表現出出色的特異性。穩態動力學研究結果顯示，其類OD活性高于很多單原子納米酶和傳統納米酶。

細胞毒性實驗、ROS熒光、流式細胞術等實驗結果表明，Co-SAs@NC在pH=6.0的酸性環境下，由級聯反應產生大量的O2-自由基，聯用阿霉素后，這種協同的納米催化化療對小鼠乳腺癌生長表現出了顯著的抑制效果（92%）。HE染色和小鼠生化指標測試結果顯示，主要組織器官沒有明顯損傷，Co-SAs@NC表現出良好的生物相容性。實驗結果表明基于Co單原子納米酶的納米催化化療是一種很有前途的腫瘤治療策略。

上述研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點研發計劃、廣東高水平創新研究機構等項目的支持。