它 为何可以是2022年度化学领域十大新兴技术

近日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）公布了“2022年度化学领域十大新兴技术(Top Ten Emerging Technologies in Chemistry 2022)”名单（网址：https://iupac.org/what-we-do/top-ten/）。此次“化学领域十大新兴技术”评选由IUPAC于2019年发起，旨在发现、鼓励能够改变能源、卫生和材料领域的世界顶尖创新成果，以应对最紧迫的社会挑战，促进世界可持续发展。

IUPAC评价“纳米酶是一种结合自然和人工催化的力量，它在稳定性、可回收性和成本方面具有多种优势。与仅在特定的温度和pH范围内起作用的天然酶不同，纳米酶能够承受恶劣的条件并允许持久、安全和稳定的储存。”纳米酶，是一类能够在温和或极端条件下催化酶的底物并遵循酶动力学（如米氏方程）将其转化为产物的纳米材料。纳米酶是中国科学家提出的新概念，已经被纳入教科书和百科全书。相比于天然酶，纳米酶是纳米材料在实验室中经历过一系列相应的功能性改造后的人工定制产物，具有更好的稳定性，多功能性，以及更低廉的价格，在催化、诊断、治疗、传感等方面有很好的应用前景。

编者为您精选2022年以来纳米酶领域中发表的优秀工作。人工统计，如有遗漏，请在留言区指出。

1、中南大学ACS Nano：可双重调节肿瘤微环境的级联纳米酶

中南大学的刘又年教授和邓留副教授等人设计发展了一种多功能平台（HABT-C@HA），首先将均一的空心白色二氧化钛作为前驱体由硼氢化钠进行还原得到黑色的二氧化钛，再在该材料表面先后合成和修饰金纳米颗粒、碳点和透明质酸。研究表明，HABT-C@HA具有内生性的多酶（葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶）仿生活性，可作为自级联纳米酶循环产生氧气和活性氧ROS用于声动力学治疗以实现逆转肿瘤免疫抑制微环境和缓解肿瘤微环境中的缺氧，为实现高效抗癌提供了新的思路。相关研究成果以“A Cascade Nanozyme with Amplified Sonodynamic Therapeutic Effects through Comodulation of Hypoxia and Immunosuppression against Cancer”为题发表于ACS Nano杂志上。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c07504

2、Angew. Chem. Int. Ed.：单原子酶用于肿瘤催化治疗

中国科学院国家纳米科学中心陈春英研究员、杨蓉研究员和蔡双飞副研究员共同研发了一种通过Co单原子纳米酶启动级联酶促反应进行肿瘤催化治疗的新策略。这种纳米酶由氮掺杂的多孔碳负载Co单原子（Co-SAs@NC）组成，有着比表面积大、高度分散的原子位点和Co-N配位结构等优势。在级联催化反应中，它首先发挥类似过氧化氢酶（CAT）活性，将肿瘤细胞内源性H₂O₂分解产生O₂，随后表现类氧化酶（OD）活性，将O₂还原成超氧阴离子（O2^·-）自由基，引发肿瘤细胞凋亡。进一步与化疗药物（阿霉素）联用，显著增强了抗肿瘤效果。相关研究成果以“Tumor-Microenvironment- Responsive Cascade Reactions by a Cobalt-Single-Atom Nanozyme for Synergistic Nanocatalytic Chemotherapy”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.上。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202204502

3、Nano Lett.：BSA共孵育的二氧化铈纳米簇治疗抑郁症

同济大学医学院郑加麟教授、夏骁寰副研究员、上海东方医院张兵波教授等人以活性氧（ROS）为目标，通过便捷、绿色、高效的牛血清白蛋白（BSA）孵育策略，合成了CeO₂@BSA纳米簇作为新型抗抑郁纳米药物。CeO₂@BSA具有超小尺寸（2 nm），具有出色的ROS清除能力、穿越血脑屏障的能力、代谢速度快。CeO₂@BSA可以缓解慢性约束应激诱导的抑郁症模型的抑郁行为和抑郁症相关的病理变化，表明CeO₂@BSA在治疗抑郁症方面有很好的疗效。本研究通过直接使用纳米药物作为抗抑郁药物，而不是将其作为纳米载体，证明了其有效性，这大大拓展了纳米材料在抑郁症治疗中的应用。相关研究成果以“ROS-Targeted Depression Therapy via BSA-Incubated Ceria Nanoclusters”为题发表于Nano Letters上。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01334

4、Nat. Commun.：用于环境修复的单氨基酸生物纳米酶

特拉维夫大学Ehud Gazit教授、加州大学河滨分校Bryan M. Wong教授、印度理工学院Pandeeswar Makam博士等人报告了一种简易但高度活跃和稳定的单氨基酸仿生酶，它可以催化环境中有毒的酚类污染物的快速氧化，并作为一种超灵敏的工具来检测类似于漆酶的重要生物神经递质。虽然受到漆酶催化部位的启发，但实质上更简单的铜配位仿生酶与天然蛋白质相比，成本效益高5400倍，效率高4倍，灵敏度高36倍。此外，所设计的模拟物在极端条件下（pH值、离子强度、温度、储存时间）是稳定的，可以明显地重复使用几个周期，并显示出广泛的底物特异性。这些发现为开发用于分析化学、环境保护和生物技术的高效仿生酶带来了巨大希望。相关研究成果以“Single amino acid bionanozyme for environmental remediation”为题发表于Nature Communications上。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28942-0

5、Nat. Commun.：单原子纳米酶催化亲和力超越天然酶用于脑外伤的高效愈合

天津大学张晓东教授团队发现单原子纳米酶RhN4和VN4的超高生物催化活性，其催化反应亲和力超越天然酶5-20倍，并发现其具有X-O-N4的新型催化活性中心和双侧反应路径；同时克服了天然酶不稳定、易失活性的缺点，其生物催化稳定性能持续数月以上；可以通过调节巨噬细胞等免疫细胞，减少炎症，实现对神经创伤的高效缝合。该成果有望加速神经创伤的早期愈合。相关研究成果以“Single-atom nanozymes catalytically surpassing naturally occurring enzymes as sustained stitching for brain trauma”为题发表于Nature Communications上。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32411-z

6、Adv. Mater.：光热纳米酶微针贴片用于顽固性细菌生物膜感染

中科大朱晨教授、方诗元教授、上海交通大学张先龙教授和Wang Jiaxing博士提出了一种铁驱动Janus离子治疗（IJIT）抗生物膜新策略，并将其用于调节细菌生物膜和免疫细胞的铁代谢。具体的，研究人员通过在氧化石墨烯纳米片上生长Fe₃O₄纳米颗粒，然后将其封装在甲基丙烯酸透明质酸针尖中而合成了一种对BME响应的光热微针贴片(FGO@MN)。在BME中，FGO@MN催化产生的·OH会破坏细菌热休克蛋白，使得生物膜对热更加敏感。研究表明，协同的温和光热治疗会触发细菌对铁的吸收，实现内铁过载，并进一步诱导其发生类似于铁死亡形式的死亡。此外，BME周围铁滋养的中性粒细胞也会被重新激活，使其被抑制的抗生物膜功能得到恢复。实验结果表明，将热应激引发的铁干扰和铁滋养的免疫再激活进行结合的策略可以消除95%以上的BBIS。体内实验也证实了IJIT能够在15天后清除难治性BBI，由此表明IJIT具有非常广阔的临床应用前景。相关研究成果以“Photothermal Nanozyme-Based Microneedle Patch against Refractory Bacterial Biofilm Infection via Iron-Actuated Janus Ion Therapy”为题发表于Advanced Materials上。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207961

7、ACS Nano：冷激活的纳米酶用于精确肿瘤免疫治疗

中南大学陈万松教授、Wen Mei教授、刘又年教授等人以Bi₂Fe₄O₉纳米片（NSs）为原型，构建了一种冷激活人工酶。Bi₂Fe₄O₉ NSs通过凋亡和铁下垂诱导肿瘤细胞冷酶死亡，并最大限度地降低对正常组织的脱靶毒性。此外，还制备了一种智能手机远程控制Bi₂Fe₄O₉ NSs酶活性的干预装置。紧接着，研究人员以Bi₂Fe₄O₉ NSs为原位疫苗，成功激活全身抗肿瘤免疫，抑制肿瘤转移和复发。此外，血液生化分析和组织检查表明Bi₂Fe₄O₉ NSs在体内应用具有较高的生物安全性。这种冷纳米酶为癌症疫苗的研制提供了一种策略，有利于催化纳米药物的精确控制。相关研究成果以“Cold Nanozyme for Precise Enzymatic Antitumor Immunity”为题发表于ACS Nano上。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c10057

8、Nat. Commun.：铂纳米酶诱导DNA同时铂化和氧化裂解以克服癌症耐药性

浙江大学凌代舜教授团队设计开发了一种核酸酶模拟Pt纳米酶，使其能够靶向癌细胞核，并诱导DNA同时发生铂化和氧化裂解，从而有效克服了癌细胞的Pt耐药性。此外，核苷酸切除修复的下游效应物，会有向DNA损伤部位进行募集的趋势，但该趋势会被顺铂耐药癌细胞中的Pt纳米酶所破坏，从而导致Pt-DNA加合物的过度积累，实现高效的癌症治疗。相关研究成果以“A nuclease-mimetic platinum nanozyme induces concurrent DNA platination and oxidative cleavage to overcome cancer drug resistance”为题发表于Nature Communications上。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35022-w

9、Nat. Commun.：可调控的Fe₃O₄纳米酶的POD样活性

东南大学张宇研究员、顾宁院士、马明副研究员等人联合报道了Fe₃O₄中的Fe²⁺可以通过Fe²⁺-O-Fe³⁺链将电子转移到表面，使表面Fe²⁺再生，并实现持续的POD样催化反应。这个过程通常发生在过量氧化的Fe³⁺从晶格向外迁移的过程中，这是一个速率限制步骤。经过长时间的催化，Fe₃O₄纳米酶经历了向γ-Fe₂O₃的相变，具有可耗尽的POD样活性。具有参与电子转移和离子迁移的内部原子的纳米酶的这种自我消耗特性在磷酸铁锂纳米颗粒上得到了很好的验证。本研究揭示了一个被忽视的问题，即在设计、调节和应用纳米酶时，必须同时考虑表面和内部原子。相关研究成果以“Depletable peroxidase-like activity of Fe3O4 nanozymes accompanied with separate migration of electrons and iron ions”为题发表于Nature Communications上。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33098-y

10、Adv. Sci.：酶模拟纳米支架促进肌腱再生

上海交通大学附属第六人民医院范存义教授、Qian Yun、欧阳元明博士等人发明一种将酶模拟纳米二氧化铈纳米酶（CeNPs）结合到纳米纤维束支架中的智能支架（NBS@CeO），其具有多孔、各向异性和增强的机械性能，旨在通过挽救线粒体功能和重塑有利于内源性再生的微环境，创新性地探索有针对性的能量支持修复策略。整合的CeNPs清除过多的活性氧（ROS），稳定线粒体膜电位（ΔΨm），以及在氧化应激下肌腱衍生干细胞（TDSC）的ATP合成。在大鼠跟腱缺损模型中，NBS@CeO减少氧化损伤并加速胶原纤维的结构再生，表现为恢复机械性能和运动功能。此外NBS@CeO通过减轻TDSC的衰老和凋亡、下调衰老相关分泌表型（SASP）的分泌和诱导巨噬细胞M2极化，介导内源性再生信号和失调免疫微环境的再平衡。这一创新战略突出了NBS@CeO因此提供了促进肌腱再生的潜在治疗方法。相关研究成果以“Energy-Supporting Enzyme-Mimic Nanoscaffold Facilitates Tendon Regeneration Based on a Mitochondrial Protection and Microenvironment Remodeling Strategy”为题发表于Advanced Science上。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202542

11、ACS Nano：可逆转缺血性脑卒中神经元氧化损伤和内质网应激的纳米酶

暨南大学附属第一医院徐安定教授和陈填烽教授联合制备了一种仿生型Mn₃O₄纳米酶（HSA-Mn₃O₄），并将其用于抑制缺血卒中再灌注诱导的神经系统损伤。该纳米系统具有降低炎症水平、延长的体内循环时间和强效清除活性氧等性能。研究发现，HSA-Mn₃O₄能有效抑制缺氧缺糖损伤所诱导的细胞凋亡和内质网应激，对脑组织缺血卒中和再灌注损伤具有很好的神经保护能力。此外，HSA-Mn₃O₄能有效释放Mn离子，促进SOD2活性的提高。实验结果表明，HSA-Mn3O4可在体内通过抑制细胞凋亡和内质网应激以抑制脑组织损伤。综上所述，这一研究不仅设计了一种新型仿生纳米药物，而且也充分揭示了其对于缺血性脑卒中和再灌注损伤的神经保护作用机制。相关研究成果以“Bioactive Nanoenzyme Reverses Oxidative Damage and Endoplasmic Reticulum Stress in Neurons under Ischemic Stroke”为题发表于ACS Nano上。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07205

12、ACS Nano：单原子催化剂用于增强肿瘤细胞选择性铁死亡

中科院长春应化所曲晓刚研究员、任劲松研究员和吉林大学刘超英教授等人通过在单原子纳米酶（SAzymes）表面工程化接枝DNA调制器，开发了一种自适应铁死亡平台。该调节剂不仅可以特异性地增强ROS生成活性，还可以赋予SAzyme在肿瘤细胞中按需消耗GSH的能力，从而加速实现选择性和安全性的铁死亡。自适应抗肿瘤响应已在结肠癌和乳腺癌中得到证实，促进了选择性癌症治疗的发展。相关研究成果以“Self-Adaptive Single-Atom Catalyst Boosting Selective Ferroptosis in Tumor Cells”为题发表于ACS Nano上。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08464

13、ACS Nano：多酶活性纳米酶用于增敏铁死亡

重庆大学蔡开勇教授和罗忠教授报道了一种基于Cu-TCPP(Fe)金属有机骨架（MOF）的纳米体系，并在其中高效掺入Au NPs和RSL3，最终用聚乙二醇（PEG）和iRGD修饰，用于肿瘤靶向药物递送。这些纳米催化活性可导致GPX4/GH和FSP1/CoQ10H2途径的同时抑制，并与RSL3的GPX4失活功能协同作用，导致明显增强的铁死亡，从而为临床应用铁死亡治疗提供了强有力的理论基础。相关研究成果以“Multienzyme-like Reactivity Cooperatively Impairs Glutathione Peroxidase 4 and Ferroptosis Suppressor Protein 1 Pathways in Triple-Negative Breast Cancer for Sensitized Ferroptosis Therapy”为题发表于ACS Nano上。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08664

14、Angew. Chem. Int. Ed.：胞内ROS触发的人工酶组装用于启动催化和选择性肿瘤细胞成像

中国科学院化学研究所的王树研究员和黄一鸣研究员等人联合报道了细胞内ROS触发的人工酶组装用于启动催化活性和选择性肿瘤细胞成像。研究人员通过将催化组氨酸残基引入季戊四醇四（3-巯基丙酸酯）（PTT），获得了对活性氧（ROS）具有响应性的人工酶PTT-SGH。人工酶通过细胞内ROS介导的巯基氧化在细胞中形成大的聚集体。由于肿瘤微环境中的ROS浓度较高，肿瘤细胞中的这一过程显著促进。这种人工酶的催化活性通过交联PTT-SGH的去质子化而得到了增强，表现出典型的酯酶活性。使用人工酶触发活细胞内笼状荧光团的酯键断裂，实现肿瘤细胞的选择性荧光成像。相关研究成果以“Selective Fluorescence Imaging of Cancer Cells Based on ROS-Triggered Intracellular Cross-Linking of Artificial Enzyme”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.上。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116457

15、Angew. Chem. Int. Ed.：通过助催化剂改善纳米酶的肿瘤诊疗性能

上海硅酸盐研究所施剑林院士、杨博文博士等报道发展了一种助催化剂概念，设计了二维MoS₂纳米片上负载原子分散度的Fe催化剂。催化剂中的单原子Fe物种作为催化活性位点，MoS₂纳米片中丰富的硫缺陷能够在H₂O₂分解生成·OH的过程中捕获电子，改善双氧水的分解。而且，二维MoS₂纳米片通过Mo⁴⁺氧化为Mo⁶⁺，促进Fe³⁺还原为Fe²⁺的反应速率，因此能够提高整体催化反应的速率。这种二维纳米片展示了优异的催化活性，显著的改善了体内和体外抗癌功效，说明这种助催化剂概念对于肿瘤诊疗具有广泛的应用前景。相关研究成果以“Enhancing Tumor Catalytic Therapy by Co-Catalysis”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.上。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202200480

纳米酶作为一个全新的概念和研究范式，吸引了化学、生物、物理、医学等多领域参与，进入高速发展期。然而，很多重要问题也随着研究的深入不断浮现出来，并成为了纳米酶下一阶段研究中的重要课题。在此，阎锡蕴院士团队对纳米酶在下一个十年中可能取得重大进展的研究方向加以展望：（1）推进纳米酶的产业转化应用；（2）完善纳米酶的标准化体系；（3）揭示纳米酶的天然属性及作用。