Adv. Funct. Mater. | 新兴纳米酶在神经系统疾病治疗中的应用：桥接氧化还原酶模拟和抗氧化化学

由于全球人口增长和老龄化，神经系统疾病（包括神经退行性疾病、神经创伤性疾病和神经炎症）的患病率持续上升。这些疾病的一个关键致病因素是活性氧和氮物质（RONS）的过度积累。纳米酶因其卓越的催化活性和稳定性，成为神经治疗领域的有力候选药物，它们能够穿过血脑屏障，通过模拟天然酶的特性有效抵消活性氧的产生。

近日，西南民族大学化学与环境学院雍媛研究员与川北医学院临床医学院唐晓平、杨汉丰团队详细探讨了纳米酶在神经系统疾病中的最新应用及其抗氧化还原化学机制。该综述首先通过Web of Science检索，采用文献计量学方法确定了年度出版趋势，并广泛探讨了该领域的研究热点及主要神经系统疾病。随后，文章系统地讨论了纳米酶的抗氧化还原化学机制，特别强调了它们模拟天然氧化还原酶活性并从源头抑制RONS产生的能力。此外，该综述深入分析了这些机制在治疗神经系统疾病方面的当前局限性和未来前景，突出了纳米酶在治疗神经系统疾病中的最新进展，为其在治疗应用和对神经病学的更广泛影响方面提供了深入见解。

通过检索到近十年来关于“纳米酶与神经系统疾病”主题的共计182篇出版物。根据文章发表年份分析这些研究的年度增长情况，发现从2014年到2023年，发表的研究数量总体呈上升趋势（图1A）。由此可得，纳米酶在神经系统疾病中的应用在此期间引起了研究人员越来越多的关注。2017年之前，纳米酶在神经系统疾病研究中的关注很少。此后，相关研究迅速增加。特别是在最近三年，出版物数量显著增加，占检索到的总出版物数量的73.08％。图1B概述了纳米酶在神经疾病研究中的关键发展历程，从2004年发现金纳米颗粒的葡萄糖氧化酶样活性，到近期的单原子催化剂和核壳结构纳米酶的创新。图1C中的关键词共现网络展示了该领域的研究热点。最后，图1D展示了七大主要神经疾病的研究分布比例，为纳米酶在神经疾病中的研究提供了全面的概览。

图1. “纳米酶和神经系统疾病”领域出版物的文献计量分析。

氧化应激（OS）是体内氧化和抗氧化作用失衡的系统，是生物体中自由基产生的一种负面影响。在正常生理条件下，机体可以清除过量的ROS，使其处于动态平衡状态，以防止氧化损伤。最常见的ROS包括超氧阴离子（O₂^·−）、羟基自由基（∙OH）和过氧化氢（H₂O₂）； RONS包括一氧化氮（NO）、亚硝酸盐（NO₂⁻）和过氧亚硝酸盐（∙ONOO⁻）。由于RONS能够直接或间接地氧化或损伤DNA、蛋白质和脂质，从而引发基因突变、蛋白质变性和脂质过氧化，被认为是人类衰老和各类重大疾病，如肿瘤、心脑血管疾病、神经退行性疾病、糖尿病等最重要的危险因素。细胞内参与RONS调控的天然氧化还原酶包括OXD、POD、CAT、GPx和SOD，在维持细胞内氧化还原稳态中发挥重要作用。但在病理条件下，这些酶的活性降低，导致细胞内的抗氧化系统不能平衡过度表达的RONS。利用抗氧化纳米酶去除过表达的RONS被认为是一种可行的抗氧化策略。目前，纳米酶的研究还集中在模拟氧化还原酶上，它通过酶促反应将有毒自由基转化为毒性较小或无毒的物质来清除RONS，抗氧化纳米酶的催化机制主要包括电子转移、吸附活化和价态转化。

图2A描述了在神经系统中活性氧和氮物质（RONS）的生成和代谢过程，展示了它们在神经疾病中的重要作用。图2B展示了不同氧化还原酶（如氧化酶、过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶）介导的催化反应机制，强调了这些酶在分解有害物质中的协同作用。最后，图2C展示了这些氧化还原酶在神经疾病代谢中的协同作用机制，进一步说明了纳米酶通过模拟这些天然酶的活性，能够有效调节神经系统中的氧化应激。

图2. 神经系统中 RONS 生成和代谢的示意图及不同氧化还原酶（包括 OXD、POD、GPx、SOD和CAT）介导的催化反应机制。

神经系统疾病具有多种特征和发病机制，既影响中枢神经系统，又影响周围神经系统。根据其潜在机制和对神经系统的影响，它们可以大致分为各种不同类型。纳米酶通过模拟天然酶的活性，抑制RONS产生，减少氧化应激和炎症反应，从而保护神经元并改善神经功能。纳米酶在跨越血脑屏障、靶向病变区域和长效循环等方面展示了独特优势，为神经系统疾病的治疗提供了新的希望。

图3. 纳米酶通过减少氧化应激和炎症治疗神经系统疾病的示意图。

最后，作者对纳米酶的研究做了总结和展望。尽管纳米酶在神经系统疾病治疗中展示了巨大的潜力，仍存在一些挑战需要解决。首先，纳米酶在体内的生物分布、代谢路径和潜在毒性需进一步研究，以确保其安全性和有效性。其次，优化纳米酶的设计，使其在生理条件下表现出更高的稳定性和催化活性，将是未来研究的重点。多学科合作，包括材料科学、生物医学和临床医学，将推动纳米酶从实验室走向临床应用。未来，随着纳米技术和酶学研究的不断深入，纳米酶在神经系统疾病治疗中的应用前景将更加广阔。高通量筛选技术和计算模拟的结合将加速新型高效纳米酶的发现和设计。纳米酶的多功能化改造，使其不仅具有抗氧化还原功能，还能实现靶向药物递送、成像和诊疗一体化，将进一步提升其在精准医学中的应用价值。总之，纳米酶作为一种新兴的治疗工具，有望在未来神经系统疾病的诊断和治疗中发挥关键作用，为患者带来更多的希望和福音。

相关论文近期以“Emerging Nanozymes in Neurological Disorder Therapeutics: Bridging Oxidoreductase Mimicry and Antioxidant Chemistry”为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202405190）。该论文的第一作者为川北医学院附属医院蒋国会教授，博士生徐琦琦为论文的共同作者。通讯作者为西南民族大学雍媛研究员、川北医学院临床医学院唐晓平、杨汉丰教授。