纳米酶在医学治疗中的研究进展

倪晓丽 朱钧锴 于红涛 穆震

1.山东第一医科大学（山东省医学科学院）研究生部，山东 济南 250117；2.山东第一医科大学第二附属医院皮肤科，山东 泰安 271000；3.泰安八十八医院皮肤科，山东 泰安 271000

纳米酶是一类既有纳米材料的独特性能，又有催化功能的模拟酶［1］。自从2007年首次发现四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒具有类过氧化物酶催化活性以来［2］，纳米酶的研究工作取得了越来越多的进展，已经发现或设计出了许多不同类型的纳米酶，如今可模拟过氧化物酶（peroxidase， POD）、过氧化氢酶（catalase， CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、氧化酶（oxidase， OXD）等数十种酶活性。到目前为止，全球已有400多个研究机构从事着纳米酶的研究工作。与天然酶相比，纳米酶制备简单、储存方便、成本较低，且具有良好的稳定性［3-4］，为纳米酶在医疗领域的应用提供了更多可能性。本文综述了纳米酶在医学治疗方面的研究进展，旨在为后续研究提供帮助。

1 纳米酶在医学治疗中的应用

1.1 纳米酶在肿瘤治疗中的应用

癌症是由于细胞失去调控后无限增殖而形成［5］，具有较高的发病率和死亡率，严重威胁着人类健康。癌症的传统治疗方法包括放疗、化疗和手术治疗，这些方法虽然在癌症治疗方面发挥着积极的作用，却存在着毒副作用大、治疗效果不佳等诸多弊端［6-7］。因此，具有类酶活性的纳米酶为肿瘤的治疗提供了新的契机。

一方面，纳米酶具有独特的类酶特性，能直接促进肿瘤细胞凋亡或者抑制肿瘤生长。Yao等［8］报道了一种基于碳量子点（carbon quantum dots，CQDs）的具有类谷胱甘肽（glutathione， GSH）氧化酶活性的绿原酸（chlorogenic acid， ChA）纳米酶（ChA CQDs），它可以通过干扰谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4， GPX4）催化的脂质修复系统诱导癌细胞铁凋亡，在HepG2荷瘤小鼠模型中展现了明显的肿瘤抑制效果，且毒副作用较小。并且该纳米酶在荷肝癌H22的小鼠模型中通过募集肿瘤浸润性免疫细胞激活了全身性抗肿瘤免疫应答。该研究显示了纳米酶具有优异的抗肿瘤能力和较好的安全性。此外，纳米酶具备出色的催化性能，能够改善肿瘤微环境，发挥抗肿瘤作用。Zeng等［9］开发了一种具有POD活性的氮氧化硼纳米酶，它能持续催化过氧化氢（H2O2）产生细胞毒性羟自由基（·OH），进而诱导肿瘤细胞凋亡，并降低细胞活力。体内试验表明，该纳米酶对乳腺肿瘤生长具有更显著的抑制作用。

另一方面，除了用单种纳米酶进行催化治疗，还可以构建级联催化的纳米酶体系用于癌症治疗。Wei等［10］构建了具有多酶活性的IrRu-GOx@PEG纳米酶体系，其不仅可以将肿瘤组织的葡萄糖降解为H2O2，实现抑制肿瘤生长的饥饿治疗，而且还能将H2O2转化为氧气（O2）和高毒性的单态氧（1O2），从而有效缓解肿瘤的缺氧问题并诱导肿瘤细胞凋亡。体外研究表明，该纳米酶具有较好的催化活性，能有效诱导癌细胞凋亡。这项研究通过合理设计具有多酶活性的纳米酶体系，为纳米酶抗肿瘤治疗提供了新策略。

除此之外，纳米酶还被广泛用于辅助放疗、化疗、光热治疗、化学动力学治疗、免疫治疗等多种肿瘤治疗方式，通过联合策略增强疗效。Zheng等［11］制备了一种肿瘤微环境响应性可降解的Se@SiO2-Mn@Au∕DOX纳米酶，它通过高通透性和滞留效应在肿瘤部位聚集，在酸性条件下响应性降解，释放硒（Se）、盐酸多柔比星（doxorubicin hydrochloride，DOX）、金纳米颗粒（Au NPs）和锰离子（Mn2+）。其中，Mn2+可以催化内源性H2O2转化为·OH用于化学动力学治疗（chemodynamic therapy， CDT），Au NPs可以连续催化葡萄糖产生H2O2，通过补充反应性材料增强CDT，并切断肿瘤的能量供应，Se可以上调肿瘤组织中活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）的水平，增强DOX和CDT的化疗作用。该纳米酶对肿瘤有显著的抑制作用且没有明显的毒副作用。Zhu等［12］开发了一种具有光热-纳米催化双重性质的肿瘤特异性HA@Cu2-xS-PEG纳米酶，它可以诱导肿瘤组织产生大量的ROS，导致肿瘤细胞杀伤。同时，因其具有光热-纳米催化协同效应，不仅可以阻断肿瘤微环境的免疫抑制，还可以促进肿瘤特异性抗原的释放，有助于肿瘤组织T细胞的募集和活化。这项研究构建了一种可以提高肿瘤免疫治疗效果的新型纳米酶，有利于推动肿瘤协同治疗的发展。

1.2 纳米酶治疗细菌感染

细菌感染是致病菌侵入血循环中生长繁殖，产生毒素和其他代谢产物，从而导致的疾病感染［13］。细菌感染严重威胁着人类的健康和安全。目前，抗生素是细菌感染最常见的治疗方法。然而，由于抗生素的过度使用和滥用，导致细菌耐药性增强［14］。同时，耐药菌株不仅会使抗生素的抗菌效果减弱，还会导致细菌感染的死亡率升高［15］。因此，有必要研发一种既能高效抑菌又不产生耐药性的新型无抗生素治疗方法。

纳米酶因其独特的抗菌机制和不易引起耐药性而备受关注。纳米酶具有类酶活性，可以调节产生的ROS水平［3］。过多的ROS可以氧化脂质、蛋白质、DNA等生物分子，改变其结构和活性，从而破坏细胞膜、干扰细胞功能进而杀灭细菌［16］。另外，ROS还可以降解生物膜基质中的多种分子，从而高效杀灭细菌并清除生物膜［17］。

纳米酶具有广谱抗菌特性，可用于杀灭多种致病菌。Guo等［18］合成了具有类POD活性的Fe3O4纳米颗粒（IONP），其可以诱导H2O2催化产生·OH，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出显著的抑菌作用，并能促进感染伤口的愈合。这项研究证实了纳米酶具有广谱且高效的抗菌性能。此外，通过对纳米酶的合理设计，可以改变抗菌活性，从而实现选择性抗菌。Xi等［19］设计了2种铜∕碳杂化纳米酶，该纳米酶具有铜状态依赖的类POD、CAT、SOD活性。其中，氧化铜（CuO）修饰的铜∕碳纳米酶可以释放铜离子（Cu2+），引起革兰氏阴性菌的膜损伤、脂质过氧化和DNA降解，但对革兰氏阳性菌的抗菌作用很小。而Cu修饰的铜∕碳纳米酶，可以通过高POD活性催化反应产生ROS，从而对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌发挥抗菌作用。这项研究为设计基于金属碳纳米酶的选择性抗菌治疗策略提供了依据。

纳米酶的催化活性与pH有关，大多数纳米酶在酸性溶液中有最高的催化活性，而生理条件下的pH值大都超过7.0［20］。基于此，Chen等［21］构建了由铂纳米酶（Apt-PtNZ）、葡萄糖氧化酶（glucose oxidase， GOX）和透明质酸构成的具有靶向能力的纳米胶囊APGH，其可由细菌释放的透明质酸酶激活，随后，Apt-PtNZ通过识别适体与细菌结合，GOX催化葡萄糖为葡萄糖酸和H2O2，从而降低创面pH值，并促进·OH的生成，展现出高效抗菌作用。该研究通过调控局部微环境改善了纳米酶催化活性，为突破纳米酶的生理局限性提供了新思路。

1.3 纳米酶治疗炎症性肠病（inflammatory bowel disease， IBD）的研究进展

IBD是一组慢性非特异性肠道炎性疾病，主要包括溃疡性结肠炎和克罗恩病［22］。临床上主要表现为反复腹痛、腹泻、血便、里急后重等症状［23］。除了导致胃肠道受累外，IBD还可引起关节炎、坏疽性脓皮病、原发性硬化性胆管炎等许多肠外病变［24］。目前，IBD的传统治疗药物主要包括氨基水杨酸制剂、糖皮质激素、免疫调节剂等，可以改善患者症状，但不能改变疾病的进程，且长期应用易导致不良反应［25］。因此，有待寻找一种疗效显著且不良反应少的治疗药物。

IBD的发病机制尚不明确，目前认为与遗传因素、环境因素、免疫紊乱等有关［26］。氧化应激在IBD的发病和进展中起着重要作用［27］。因此，可以通过清除ROS抑制氧化应激以改善肠道微环境。基于此，Zeng等［28］开发了一种二氧化铈纳米颗粒（CeNPPEG），它能持续清除ROS，明显降低多种促炎细胞因子的水平，改善肠道微环境。这项研究为炎症相关性疾病的治疗提供了新的途径。

除此之外，纳米酶还可以和水凝胶、益生菌、药物等其他物质组合，以协同治疗IBD。Yang等［29］合成了一种负载温敏水凝胶的具有多酶活性的Mn3O4纳米酶（MLPPP），其中水凝胶可以保护纳米酶免受胃酸的损伤，并可以将Mn3O4纳米酶靶向至肠道炎症部位。MLPPP对治疗结肠炎小鼠具有很好的疗效，它能通过直接清除ROS和重建细胞抗氧化系统来缓解IBD症状，并通过灭活TLR4∕NF-B通路发挥抗炎作用，它还具有保护肠黏膜和上皮屏障的作用。值得注意的是，IBD小鼠经MLPPP治疗后的病理学指标水平与健康小鼠相当。这项研究揭示了纳米酶水凝胶组合在IBD的治疗中具有潜在应用价值。Li等［30］构建了一种由益生菌外膜囊泡包裹MnO2纳米酶，它可以附着在肠道炎症部位，清除肠道中过量的ROS，缓解炎症部位的氧化应激。此外，该纳米酶益生菌可以与抗炎药物二甲双胍联用，能够重塑促炎微环境和改善肠道微生物群，并且没有明显的全身毒性。这项研究为IBD的治疗方法提供了一个新的思路。

1.4 纳米酶在银屑病治疗中的研究进展

银屑病是临床上常见的皮肤病，是一种遗传与环境因素共同作用诱发的免疫介导的慢性、复发性、炎症性、系统性疾病［31］。据统计，目前银屑病的患病率在全球范围内高达2% ～ 3%，已成为一个严重的全球性问题［32］。银屑病的临床表现多样，以附着银白色鳞屑的红斑、斑块为主。此外，银屑病伴发关节炎、心血管疾病、代谢综合征等疾病的风险增加，严重影响了患者的生活质量［33］。目前银屑病尚无彻底治愈的方法，传统治疗手段疗效不佳且有较大的毒副作用。虽然生物制剂在中重度银屑病治疗中取得了不错的效果，然而由于其适应证局限、使用前需要进行筛查、价格昂贵等原因限制了其使用，另外对于轻度银屑病患者仍缺乏安全有效的外用治疗药物。因此，探究一种经济、安全且疗效好的治疗方法是很有必要的。

银屑病的发病机制尚不完全清楚，目前认为ROS诱导的氧化应激在其发病中起到了关键作用。Blagov等［34］研究表明ROS是银屑病发病各个阶段的重要参与者，过量的ROS会打破细胞中的氧化还原平衡，导致氧化应激、表皮增殖及炎症的发展，随之白细胞、角质形成细胞释放自身抗原，进而引发自身免疫反应，使其变成慢性、全身性炎症反应。因此，根除ROS的抗氧化策略可能是银屑病简便、有效的治疗选择，而具有内在抗氧化酶样活性的纳米酶尚未充分研究用于银屑病的治疗。

Wu等［35］制备了一种具有多酶模拟活性和药物负载活性的DIT@β-CDs∕CeO2纳米酶，其可以拯救氧化应激下的细胞，并发挥协同抗银屑病作用，还能有效清除超氧阴离子（O2·-）和H2O2，对ROS介导的损伤具有显著的低温保护作用。并且该纳米酶对咪喹莫特乳膏诱导的银屑病样模型表现出良好的疗效。该研究为应用纳米酶治疗银屑病提供了依据，但相关实验仍然十分匮乏，有待更多的动物实验或临床病例做进一步研究。

2 现状与展望

近年来，纳米酶因其卓越的性能得到了广泛关注，并且在纳米酶治疗肿瘤、细菌感染、炎症性肠病及银屑病等方面做了大量且卓有成效的工作。尽管纳米酶的研究取得了一定的进展，具有很好的应用前景，但目前仍存在一些问题限制了纳米酶进一步的发展和应用：首先，与天然酶相比，纳米酶的催化活性和选择性仍然较低，绝大多数纳米酶无法达到体内天然酶的水平，需要开发更高催化效率和选择性的纳米酶；其次，纳米酶的研究主要集中在设计、合成、应用方面，涉及纳米酶作用机制方面的深入研究还很少，因此，迫切需要深入探讨纳米酶催化机理等方面的研究；再次，与天然酶相比，纳米酶模拟的催化活性种类较少，因此，需要制备更多种类的纳米酶以更好地实现对诸多天然酶活性的模拟；此外，长期使用纳米酶可能存在潜在毒性问题，这也阻碍了它的临床转化，因此，需要探究具有良好生物相容性和生物安全性的纳米酶，加速纳米酶的临床应用。总而言之，纳米酶的研究进展迅速，仍有许多未知之处等待去探索，如何实现纳米酶的临床转化是重点问题之一，相信未来纳米酶会在医学治疗中发挥更大的作用，扮演更重要的角色。

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