＊顧文賢

（溫州大學化學與材料工程學院 浙江 325035）

自鐵磁性納米粒子第一次被證明為過氧化物酶模擬在2007年被報道以來，各種納米材料已經(jīng)被鑒定具有類似酶的內在特性[1]。這些物質能催化酶反應遵循相似的酶動力學和機制生理條件下的天然酶。因此,人們創(chuàng)造了“納米酶”這個術語來描述這種特性新興一代的模擬酶或人工酶。納米酶具有高的酶活性，可通過調節(jié)尺寸控制、摻雜和表面改性。此外,這些人工酶功能齊全，穩(wěn)定性高，易于放大，成本較低。這些優(yōu)點使它們優(yōu)于天然的實際應用中的酶或傳統(tǒng)的酶模擬。在過去的十年中，納米酶已廣泛應用于生物醫(yī)療，包括免疫分析、生物傳感器、抗菌膜劑[2]。目前,正在努力探索將納米酶應用于活體臨床診斷和治療在體內的應用是如何控制一個納米酶選擇執(zhí)行所需的活性。

在生物體內性能高活性是制備納米酶的先決條件之一。類酶活性與化學催化可能具有相似之處。然而，目前國內外的研究還很少化學催化與酶性質的關系這些。特別是雜原子摻雜的碳納米材料是一種很有前途的無金屬電催化劑，用于能源存儲、轉換裝置和水由于其優(yōu)異的催化性能[3]，但其酶學性質催化性能研究很少。在此之前碳基材料在抗癌藥物制備中一直擔任的是藥物負載運輸?shù)穆氊?，并且通過細胞膜轉運藥物實現(xiàn)有效的釋放藥物達到治療癌細胞的能力，在醫(yī)學藥物輸送領域已被廣泛關注，如碳納米管[4]（單壁或多壁）、碳納米球[5]、石墨烯及其衍生物[6]等。除此之外，碳基納米材料具有巨大的比表面積、在酸堿性條件下的優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、易制備、低成本以及良好的生物相容性等優(yōu)異的特性這均是作為納米抗腫瘤藥物體系所必備的特點[7]。介孔碳納米球由于有序的多孔結構、可控的孔徑、較大的比表面積以及易于修飾的表面，在藥物遞送方面得到廣泛應用，因為藥物可以被截留在介孔碳納米球的孔道中，實現(xiàn)藥物分子的可控釋放。值得一說的是，介孔碳納米材料不僅可以作為藥物載體，而且通過雜原子摻雜的介孔碳球納米酶能夠發(fā)揮其類氧化酶和類過氧化酶的活性，催化腫瘤內的氧氣和過氧化氫產(chǎn)生活性氧自由基從而達到有效治療腫瘤細胞的能力[8]。

其中氮摻雜的碳納米材料中，氮被插入碳納米材料的石墨結構的晶格中。一般來說，在極端反應條件下，這些材料可以通過氧還原反應（ORR）將氧還原成各種氧化物和水，并通過析氧反應（OER）反過來產(chǎn)生氧。例如，在酸性（pH1-2）或堿性條件（pH12）下，它們通過四電子轉移機制或二電子途徑與氧（O2）反應時表現(xiàn)出高催化活性和耐久性，并伴有中間自由基物種。氮的比例和形式在這些電子途徑中起著至關重要的作用。在ORR和OER對氮摻雜的納米碳球的研究表明，吡啶氮和季氮是潛在的活性位點，盡管仍需要深入研究以闡明它們在ORR和OER中的作用。更具體地說，這些材料的多孔性提高了它們的活性，因為多孔界面提供了許多活性位點并有利于催化過程中的傳質。因此，它具有很高的酶樣活性，作用于活性氧相關的活性氧調節(jié)反應。

對于碳基納米催化劑，雜原子摻雜已被用于改變電子平衡和活性位點，以產(chǎn)生更有效的催化劑[9]。Yan等人[8]報道了碳納米催化劑的酶活性和化學催化氧析出反應（OER）和氧還原反應（ORR）有相似的機理，因此構建了修飾有鐵蛋白的氮摻雜介孔碳納米球（N-PCNSs）具有多重酶活性-在鐵蛋白的腫瘤靶向以及細胞溶酶體亞定位于腫瘤細胞中具有酸性環(huán)境的溶酶體中，特異并且高效殺死腫瘤細胞。研究發(fā)現(xiàn)，在不同pH條件下該材料具有不同的類酶催化活性，在pH為4.5時表現(xiàn)出類氧化酶（OXD）的催化活性、pH在2.5-6.0范圍內具有過氧化物酶（POD）的催化活性。pH=7.0時呈現(xiàn)出類過氧化氫酶（CAT）活性、當pH為8時氮摻雜的碳納米球表現(xiàn)出超氧化物歧化酶（SOD）活性。因此N-PCNSs在酸性條件下發(fā)揮類氧化酶和類過氧化物酶的作用，達到催化氧氣產(chǎn)生活性氧自由基（ROS）；在中性條件下發(fā)揮出類過氧化氫酶和類超氧化物歧化酶的活性，清除腫瘤細胞中的自由基。也就是說，N-PCNSs一旦位于溶酶體的微環(huán)境中，其將通過消耗O2誘導缺氧并協(xié)同增強高ROS能力誘導人結腸癌細胞死亡，并且該材料具有良好的生物相容性。這一研究通過癌細胞內特征性的代謝產(chǎn)物，實現(xiàn)了體內納米酶的精準靶向以及酶催化活性的調控，為雜原子摻雜的介孔碳納米球靶向催化腫瘤細胞提供了新的治療思路和策略。

與單一的氮摻雜碳材料和磷摻雜碳材料相比，磷、氮雙摻雜碳材料表現(xiàn)出最小的ORR和OER超電勢[10]，這表明雙摻雜元素的協(xié)同效應可以增加催化反應過程中的電子轉移。因此，基于在化學催化領域中碳材料應用的啟發(fā)，F(xiàn)an等人[11]報道了新型氮磷共摻雜介孔空心碳納米球（PNCNzymes）在酸性條件下具有類過氧化物酶活性，與單一的氮摻雜的介孔碳納米球相比，氮磷雙摻雜表現(xiàn)出更高的類過氧化物酶催化活性。另外，吲哚乙酸（IAA）負載在PNCNzymes以及葉酸（FA）的修飾提高了腫瘤細胞中的靶向作用以及細胞內吞作用，構建了FA-PNCNzymes@IAA納米抗腫瘤藥物體系。在酸性條件下的溶酶體中，F(xiàn)A-PNCNzymes@IAA的PNCNzymes表現(xiàn)出的類過氧化物酶催化激活了前藥IAA的單電子氧化這一過程能夠產(chǎn)生誘導處理細胞凋亡中間體的自由基中間體，隨后產(chǎn)生大量的活性氧自由基，最后通過線粒體途徑導致細胞凋亡。此外，還探究了硼、氮、磷、氮和硫、氮雙摻雜石墨烯的過氧化物酶活性，以評估協(xié)同效應對過氧化物酶模擬活性的影響，結果表明在這之中氮磷共摻雜的納米碳球具有更高的活性。氮磷雙摻雜介孔中空碳納米球這一策略，進一步提高了納米酶抗腫瘤藥物的催化活性。

Liu等人[12]基于碳基納米材料的類酶性質、光動力和光熱性質，報道了氮摻雜的介孔中空碳納米球（HNCSs）和鐵酞菁（FePc）結合的具有多種光活性和類酶活性的簡單多功能協(xié)同治療系統(tǒng)（FePc/HNCSs）。具有類POD酶催化活性的FePc/HNCSs可以催化內源性H2O2產(chǎn)生高毒性的羥基自由基（·OH）直接殺死體內的腫瘤細胞；類CAT酶催化分解H2O2產(chǎn)生O2，改善O2依賴的光動力治療（PDT）。最后通過近紅外808nm激光輻照可以顯著增強FePc/HNCSs的類酶活性，達到了96.3%的高腫瘤抑制率以及38.7%的光熱轉換效率。這為雜原子摻雜的介孔碳納米球在光動力、光熱治療提供了切實可行的新思路。

總之，雜原子摻雜的介孔碳納米球構建納米抗腫瘤藥物體系已經(jīng)取得了一定的進展，然而仍然存在一些問題尚未解決。比如，盡管雜原子摻雜的碳基材料在生物體內具有良好的抗腫瘤效率，然后其在生物體內的生物相容性和降解性能還未被研究透徹，這限制了其在臨床醫(yī)學上的研究。因此其在生物醫(yī)藥領域還有許多問題繼續(xù)研究探索：（1）雜原子摻雜的碳基材料與腫瘤治療之間的構效關系；（2）研究雜原子摻雜的碳基材料的生物毒性、降解作用在各器官中、各生物體中的表現(xiàn)；（3）針對腫瘤微環(huán)境的特性，構建出具有優(yōu)異特異性靶向性的納米抗腫瘤藥物；（4）將基礎研究轉化至臨床醫(yī)學應用中。隨著研究的不斷深入，相信雜原子摻雜的碳基納米材料一定會在臨床應用中得到廣泛應用。