NANO LETTER: 揭示含氧碳纳米管的酶活性及其在细菌感染治疗中的应用

【引言】

天然酶具有很高的底物选择性和生物催化性能，在温和条件下具有极高的生物反应催化效率。然而，天然酶的低稳定性，高敏感性以及难回收的特点，阻碍了其在各个领域的实际应用。为了克服这些困难，使用纳米材料模拟天然酶的活性已经成为当前的一个研究热点。作为非金属纳米酶的重要组成部分之一，碳纳米管及其衍生物己经得到了研究人员的广泛关注。然而，基于碳纳米管的纳米酶的生物催化性能较低，并且在中性环境下几乎没有催化活性，这很大程度上限制了其在生物医学中的应用。

【成果简介】

近日，中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚团队利用绿色环保的方法，合成了氧化碳纳米管（o-CNTs），用于模拟天然的过氧化物酶。同时，通过结合理论计算和实验，证明了氧化碳纳米管的酶活性来源于其表面丰富的含氧官能团。其中，氧化碳纳米管表面的羰基是催化过程的活性位点，而羧基和羟基是竞争抑制位点。相比于羟基，羧基对底物具有更强的结合能力，因此对催化反应的抑制程度更强。这种通过和催化位点竞争结合底物而降低催化性能的机制被定义为“竞争抑制作用”。该团队进一步通过化学方法减少表面羧基的数量，进而提高o-CNTs的催化活性。由于o-CNTs在生理条件下能模拟过氧化物酶，催化双氧水产生羟基自由基，该团队结合氧化碳纳米管和极微量的双氧水，用于伤口细菌感染的治疗，避免了由于使用过量双氧水清除细菌而产生的一系列副作用。

【图文导读】

图1 o-CNTs模拟天然过氧化物酶的催化机理

图2 o-CNTs及其衍生物的表征

（a） PH, BA, and BrPE的分子结构式
（b） p-CNTs，o-CNTs，o-CNTs-PH，o-CNTs-BA, o-CNTs-BrPE的TEM图像
（c） p-CNTs，o-CNTs，o-CNTs-PH，o-CNTs-BA, o-CNTs-BrPE的O1s XPS光谱

图3 o-CNTs的酶活性

（a）o-CNTs，p-CNTs的过氧化物酶活性
（b）不同浓度的o-CNTs的过氧化物酶活性
（c）不同温度/pH对o-CNTs酶活性的影响
（d）o-CNTs及其衍生物的酶活性的比较
（e）o-CNTs及其衍生物的酶催化反应活化能示意图

图4 o-CNTs及其衍生物的抗菌效果

图5活体实验

（a） 基于o-CNTs纳米酶治疗伤口感染的示意图
（b） 不同时间点的治疗效果图
（c） 伤口面积随时间的变化图
（d） 不同治疗方案对伤口组织处细菌生长的影响（涂布平板法）
（e） 不同治疗方案对伤口组织处细菌数量的影响（数量统计）

图6伤口处病理学分析

（a） 伤口愈合过程的组织学分析
（b） 皮肤组织愈合过程的免疫组织化学分析
（c） 胶原蛋白形成的定量评价
（d） 血管形成的定量评价

【小结】

使用绿色环保的合成方法，合成了具有高效过氧化物酶活性的o-CNTs，并且结合理论计算和实验，解释了酶活性的机制。同时，将纳米酶用于伤口细菌感染的治疗上，避免了由于使用过量双氧水清除细菌而产生的一系列副作用。

该成果以“Unraveling the Enzymatic Activity of Oxygenated Carbon Nanotubes and Their Application in the Treatment of Bacterial Infections”为题发表在国际著名期刊NANO LETTER上.
链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b05095
DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05095

本文为刘昊投稿。

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