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近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，金納米粒子表現(xiàn)出優(yōu)異的模擬酶活性，類似于過(guò)氧化物酶、氧化酶、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶或還原酶。與生物酶相比，這種酶具有合成容易、可調(diào)性好、生物相容性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)或生化分析中具有很好的應(yīng)用前景。

本文亮點(diǎn)

1. 金納米材料模擬酶活性的能力為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的診斷和治療提供了新的途徑。

2. 控制納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)(尺寸、形貌和表面化學(xué))仍然是實(shí)際應(yīng)用的第一個(gè)障礙。

3. 目前，診斷領(lǐng)域中的大量體外應(yīng)用已成為現(xiàn)實(shí)，而體內(nèi)應(yīng)用如腫瘤治療或細(xì)胞內(nèi)ROS水平控制則需要進(jìn)一步控制副作用。

貝爾法斯特女王大學(xué)Cuong Cao等在本文中系統(tǒng)地綜述了200多篇關(guān)于金納米酶的基本原理及其潛在應(yīng)用的研究進(jìn)展。綜述表明，納米顆粒的形貌和表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)其催化性能以及pH值和溫度等外部參數(shù)起著重要作用。然而，實(shí)際應(yīng)用往往需要將特定的生物識(shí)別元件固定在納米酶上，從而對(duì)其活性產(chǎn)生意想不到的積極或消極影響。因此，合理設(shè)計(jì)高效的納米酶仍然是一個(gè)至關(guān)重要的挑戰(zhàn)。已經(jīng)探索了不同的實(shí)現(xiàn)途徑，包括將類過(guò)氧化物酶納米酶應(yīng)用于臨床診斷或通過(guò)其過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激。綜述還表明，必須了解外部參數(shù)如何促進(jìn)或抑制這些活動(dòng)中的每一項(xiàng)，因?yàn)槠渲胁恢挂豁?xiàng)可能共存。同樣，需要進(jìn)一步的毒性研究，以確保金納米酶在體內(nèi)的適用性。綜述了金納米酶的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，指出金納米酶在食品安全、環(huán)境分析、化工等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要意義。

圖文導(dǎo)讀

I 金納米顆粒(AuNPs)簡(jiǎn)介金納米顆粒(AuNPs)的光學(xué)、電學(xué)、磁性、催化、超分子、生物毒性和生物共軛以及局域表面等離子體共振(LSPR)等性質(zhì)取決于金納米顆粒的大小、形狀和表面化學(xué)性質(zhì)。因此，控制這些參數(shù)對(duì)于開(kāi)發(fā)基于AuNP的化學(xué)和生物傳感器至關(guān)重要。金納米結(jié)構(gòu)的合成和制備有兩種方法：自下而上和自上而下。前者涉及化學(xué)合成、自組裝或分子制造等技術(shù)，這些技術(shù)涉及金原子的成核及其從分子前體生長(zhǎng)成膠體金納米粒子。后者指的是諸如光刻微圖案、熱解和研磨等方法。目前，自下而上的方法已被廣泛探索，以產(chǎn)生具有各種尺寸和形狀的AUNP，如球體、桿、立方體、棱鏡、恒星、籠、多邊形和許多其他的形狀。

圖1. 采用自下而上的方法合成具有不同形狀的AuNP。(a) 球，(b) 棒，(c) 棱鏡，(d) 雙錐，(e) 星，(f) 立方體，(g) 多邊形納米晶體， (h) 籠，(i) 金@二氧化硅雜化納米顆粒。

II 金納米顆粒的催化性質(zhì)

金納米粒子具有多種催化活性，如氧化酶、葡萄糖氧化酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶“SOD”和還原酶催化活性。這些發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了“納米酶”一詞的出現(xiàn)。納米顆粒的尺寸、形貌、表面化學(xué)或表面功能層都會(huì)強(qiáng)烈影響催化活性，一些外部參數(shù)如周圍介質(zhì)的pH值或溫度也會(huì)影響金納米顆粒的催化活性。

圖2. 不同粒徑和形狀A(yù)uNPs催化效率的比較。(a) 不同粒徑AuNPs催化resazurin還原為resorufin的動(dòng)力學(xué)研究。它顯示了NP大小如何影響表面重構(gòu)率與催化產(chǎn)物形成(左上)和產(chǎn)物離解(右上)的轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，以及NP大小與活化能(左下)和自發(fā)動(dòng)態(tài)表面重構(gòu)率(右下)的關(guān)系，(b) 比較不同形狀和大小的AuNP對(duì)類過(guò)氧化物酶活性的催化效率。HRP，它們的生物學(xué)對(duì)應(yīng)物，也包括在圖表中。

圖3. AuNPs不同催化活性對(duì)pH和溫度的依賴性。(a) 涂有不同濃度相同肽(左側(cè)高3倍)的AUNP對(duì)溫度和pH變化的反應(yīng)不同，因?yàn)樗鼈兙哂蓄愃七^(guò)氧化物酶的氧化3,3′，5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)的能力，(b) 金納米粒子在堿性條件下吸附于金表面，表現(xiàn)出不同的H₂O₂分解途徑，(c) 用于穩(wěn)定AuNPs的熱敏性聚合物層可能經(jīng)歷結(jié)構(gòu)變化，從而阻止納米材料的催化活性狀態(tài)，(d) “開(kāi)/關(guān)”納米酶通過(guò)溫度和pH值變化進(jìn)行控制，從而通過(guò)AuNP表面聚合物鏈之間的氫鍵形成籠狀結(jié)構(gòu)。

圖4. (a) 總結(jié)了主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的AuNPs的不同催化活性。(b) 用一個(gè)代表性的例子來(lái)描述這些活動(dòng)。

III 金納米酶的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用金納米材料已被證明在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，例如光熱治療、藥物遞送載體、細(xì)胞或體內(nèi)成像。在生物醫(yī)學(xué)中最成功的應(yīng)用是將AuNPs作為可見(jiàn)光指示劑用于橫向流動(dòng)分析，即用于妊娠試驗(yàn)的基礎(chǔ)技術(shù)。隨著許多納米酶特性的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了迄今為止尚未探索的廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

3.1 生物傳感和生物傳感器的發(fā)展：臨床診斷學(xué)

AuNPs具有的過(guò)氧化物酶模擬活性使其被用作能夠產(chǎn)生色度信號(hào)的信號(hào)傳感器。目前，金納米材料主要用于氧化3,3′，5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB，一種由辣根過(guò)氧化物酶HRP催化的底物，廣泛用于免疫分析)。由于易于用特定配體進(jìn)行表面修飾，金納米材料可用于開(kāi)發(fā)針對(duì)不同靶點(diǎn)的診斷工具，如病毒、外顯子體、紅細(xì)胞、氨基酸甚至離子。除有色產(chǎn)物外，金納米酶還可以催化不同底物轉(zhuǎn)化為熒光、發(fā)光或拉曼活性產(chǎn)物；一些系統(tǒng)利用反應(yīng)中產(chǎn)生的電子來(lái)開(kāi)發(fā)電化學(xué)傳感器。

圖5. 用作臨床診斷工具的AuNPs的過(guò)氧化物酶樣活性。(a) 生長(zhǎng)在石墨烯片上的AuNP用于開(kāi)發(fā)“開(kāi)-關(guān)”色度傳感器。(b) 納米金/碳納米管雜化技術(shù)用于流感病毒的比色檢測(cè)。(c) 用于麻疹病毒檢測(cè)的棒狀金鉑核/殼納米粒子。(d) 納米磁性微球與金納米粒子聯(lián)用分離檢測(cè)流感病毒。(e) 方便用戶的尿樣血紅蛋白和紅細(xì)胞檢測(cè)設(shè)備。(f) 載金納米多孔氧化鐵納米粒用于直接外體檢測(cè)。

3.2 ROS產(chǎn)生

AuNP能夠穿透細(xì)胞和細(xì)胞隔室，并通過(guò)氧化應(yīng)激引起細(xì)胞毒性(壞死)。因此，具有模擬過(guò)氧化物酶活性的納米酶可以催化過(guò)氧化氫分解并產(chǎn)生活性氧。誘導(dǎo)毒性主要用于腫瘤治療，通過(guò)光動(dòng)力療法(PDT)增強(qiáng)其催化性能。

圖6. 應(yīng)用于腫瘤治療的金納米酶。(a) 過(guò)氧化物酶樣活性與光動(dòng)力和光熱療法相結(jié)合，用于腫瘤成像和局部治療。(b) 在將NPs引導(dǎo)至相應(yīng)的組織后，各種酶活性結(jié)合在一起在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS。

3.3 細(xì)胞保護(hù)

AuNPs也可以用于ROS的保護(hù)作用。AuNPs的納米酶活性可以根據(jù)納米粒子的表面化學(xué)性質(zhì)或所處的微環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖7. 金納米酶催化性能的pH依賴性表明H₂O₂有兩種分解途徑。酸性介質(zhì)促進(jìn)H₂O₂分解為兩個(gè)羥基自由基(類過(guò)氧化物酶活性)，而中性pH介質(zhì)將其分解為H₂O和O₂(類過(guò)氧化氫酶活性)。

圖8. 金納米酶用作細(xì)胞保護(hù)的活性氧清除劑。(a) 胺封端樹狀大分子包埋的AUNC的過(guò)氧化氫酶樣活性，用于保護(hù)神經(jīng)元免受氧化損傷。(b) 光介導(dǎo)的載AuNPs介孔NP對(duì)ROS水平的可逆調(diào)節(jié)。

IV 金納米酶的其他應(yīng)用
AuNPs的催化性質(zhì)可應(yīng)用于具有工業(yè)或科學(xué)意義的不同生物過(guò)程，用于氧化氨基酸、切割RNA、誘導(dǎo)Fenton反應(yīng)，甚至催化對(duì)映選擇性反應(yīng)。AuNPs除了其在生物學(xué)上的應(yīng)用，也可廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域：1)環(huán)境應(yīng)用：這一類的大多數(shù)應(yīng)用都與檢測(cè)環(huán)境水中有毒污染物的診斷工具有關(guān)；2)食品安全方面：食品中的污染物種類繁多，包括微生物、殺蟲劑、抗生素或毒素等。一些基于金納米酶的傳感器已經(jīng)針對(duì)微生物污染物開(kāi)發(fā)出來(lái)；3)其它應(yīng)用：金納米顆粒除了應(yīng)用診斷和治療外，在建立人工生化模型或?qū)嵤┗瘜W(xué)催化等也有重要作用。

圖9. 金納米酶比色傳感器檢測(cè)海水中Hg2⁺離子。

圖10. 利用金納米酶的比色傳感器檢測(cè)食品腐敗或人類疾病的蛋白水解生物標(biāo)志物。

圖11. 細(xì)胞膜工程應(yīng)用被用于(a) 健康狀況的診斷或者(b) 模擬人工合成物中產(chǎn)生ATP的生物機(jī)制。

圖12. 傳統(tǒng)的納米酶定義結(jié)合了金納米粒子和金屬離子作為催化劑。(a) AuNP結(jié)合單分子膜絡(luò)合Cd2⁺和Cu2⁺離子對(duì)HPNP的催化裂解。(b) Ru催化劑嵌入AuNPs保護(hù)層。

撰稿：《納微快報(bào)》編輯部

編輯：《納微快報(bào)》編輯部