納米酶在醫學治療中的研究進展

倪曉麗 朱鈞鍇 于紅濤 穆震

1.山東第一醫科大學（山東省醫學科學院）研究生部，山東 濟南 250117；2.山東第一醫科大學第二附屬醫院皮膚科，山東 泰安 271000；3.泰安八十八醫院皮膚科，山東 泰安 271000

納米酶是一類既有納米材料的獨特性能，又有催化功能的模擬酶［1］。自從2007年首次發現四氧化三鐵（Fe3O4）納米顆粒具有類過氧化物酶催化活性以來［2］，納米酶的研究工作取得了越來越多的進展，已經發現或設計出了許多不同類型的納米酶，如今可模擬過氧化物酶（peroxidase， POD）、過氧化氫酶（catalase， CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）、氧化酶（oxidase， OXD）等數十種酶活性。到目前為止，全球已有400多個研究機構從事著納米酶的研究工作。與天然酶相比，納米酶制備簡單、儲存方便、成本較低，且具有良好的穩定性［3-4］，為納米酶在醫療領域的應用提供了更多可能性。本文綜述了納米酶在醫學治療方面的研究進展，旨在為后續研究提供幫助。

1 納米酶在醫學治療中的應用

1.1 納米酶在腫瘤治療中的應用

癌癥是由于細胞失去調控后無限增殖而形成［5］，具有較高的發病率和死亡率，嚴重威脅著人類健康。癌癥的傳統治療方法包括放療、化療和手術治療，這些方法雖然在癌癥治療方面發揮著積極的作用，卻存在著毒副作用大、治療效果不佳等諸多弊端［6-7］。因此，具有類酶活性的納米酶為腫瘤的治療提供了新的契機。

一方面，納米酶具有獨特的類酶特性，能直接促進腫瘤細胞凋亡或者抑制腫瘤生長。Yao等［8］報道了一種基于碳量子點（carbon quantum dots，CQDs）的具有類谷胱甘肽（glutathione， GSH）氧化酶活性的綠原酸（chlorogenic acid， ChA）納米酶（ChA CQDs），它可以通過干擾谷胱甘肽過氧化物酶4（glutathione peroxidase 4， GPX4）催化的脂質修復系統誘導癌細胞鐵凋亡，在HepG2荷瘤小鼠模型中展現了明顯的腫瘤抑制效果，且毒副作用較小。并且該納米酶在荷肝癌H22的小鼠模型中通過募集腫瘤浸潤性免疫細胞激活了全身性抗腫瘤免疫應答。該研究顯示了納米酶具有優異的抗腫瘤能力和較好的安全性。此外，納米酶具備出色的催化性能，能夠改善腫瘤微環境，發揮抗腫瘤作用。Zeng等［9］開發了一種具有POD活性的氮氧化硼納米酶，它能持續催化過氧化氫（H2O2）產生細胞毒性羥自由基（·OH），進而誘導腫瘤細胞凋亡，并降低細胞活力。體內試驗表明，該納米酶對乳腺腫瘤生長具有更顯著的抑制作用。

另一方面，除了用單種納米酶進行催化治療，還可以構建級聯催化的納米酶體系用于癌癥治療。Wei等［10］構建了具有多酶活性的IrRu-GOx@PEG納米酶體系，其不僅可以將腫瘤組織的葡萄糖降解為H2O2，實現抑制腫瘤生長的饑餓治療，而且還能將H2O2轉化為氧氣（O2）和高毒性的單態氧（1O2），從而有效緩解腫瘤的缺氧問題并誘導腫瘤細胞凋亡。體外研究表明，該納米酶具有較好的催化活性，能有效誘導癌細胞凋亡。這項研究通過合理設計具有多酶活性的納米酶體系，為納米酶抗腫瘤治療提供了新策略。

除此之外，納米酶還被廣泛用于輔助放療、化療、光熱治療、化學動力學治療、免疫治療等多種腫瘤治療方式，通過聯合策略增強療效。Zheng等［11］制備了一種腫瘤微環境響應性可降解的Se@SiO2-Mn@Au∕DOX納米酶，它通過高通透性和滯留效應在腫瘤部位聚集，在酸性條件下響應性降解，釋放硒（Se）、鹽酸多柔比星（doxorubicin hydrochloride，DOX）、金納米顆粒（Au NPs）和錳離子（Mn2+）。其中，Mn2+可以催化內源性H2O2轉化為·OH用于化學動力學治療（chemodynamic therapy， CDT），Au NPs可以連續催化葡萄糖產生H2O2，通過補充反應性材料增強CDT，并切斷腫瘤的能量供應，Se可以上調腫瘤組織中活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）的水平，增強DOX和CDT的化療作用。該納米酶對腫瘤有顯著的抑制作用且沒有明顯的毒副作用。Zhu等［12］開發了一種具有光熱-納米催化雙重性質的腫瘤特異性HA@Cu2-xS-PEG納米酶，它可以誘導腫瘤組織產生大量的ROS，導致腫瘤細胞殺傷。同時，因其具有光熱-納米催化協同效應，不僅可以阻斷腫瘤微環境的免疫抑制，還可以促進腫瘤特異性抗原的釋放，有助于腫瘤組織T細胞的募集和活化。這項研究構建了一種可以提高腫瘤免疫治療效果的新型納米酶，有利于推動腫瘤協同治療的發展。

1.2 納米酶治療細菌感染

細菌感染是致病菌侵入血循環中生長繁殖，產生毒素和其他代謝產物，從而導致的疾病感染［13］。細菌感染嚴重威脅著人類的健康和安全。目前，抗生素是細菌感染最常見的治療方法。然而，由于抗生素的過度使用和濫用，導致細菌耐藥性增強［14］。同時，耐藥菌株不僅會使抗生素的抗菌效果減弱，還會導致細菌感染的死亡率升高［15］。因此，有必要研發一種既能高效抑菌又不產生耐藥性的新型無抗生素治療方法。

納米酶因其獨特的抗菌機制和不易引起耐藥性而備受關注。納米酶具有類酶活性，可以調節產生的ROS水平［3］。過多的ROS可以氧化脂質、蛋白質、DNA等生物分子，改變其結構和活性，從而破壞細胞膜、干擾細胞功能進而殺滅細菌［16］。另外，ROS還可以降解生物膜基質中的多種分子，從而高效殺滅細菌并清除生物膜［17］。

納米酶具有廣譜抗菌特性，可用于殺滅多種致病菌。Guo等［18］合成了具有類POD活性的Fe3O4納米顆粒（IONP），其可以誘導H2O2催化產生·OH，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現出顯著的抑菌作用，并能促進感染傷口的愈合。這項研究證實了納米酶具有廣譜且高效的抗菌性能。此外，通過對納米酶的合理設計，可以改變抗菌活性，從而實現選擇性抗菌。Xi等［19］設計了2種銅∕碳雜化納米酶，該納米酶具有銅狀態依賴的類POD、CAT、SOD活性。其中，氧化銅（CuO）修飾的銅∕碳納米酶可以釋放銅離子（Cu2+），引起革蘭氏陰性菌的膜損傷、脂質過氧化和DNA降解，但對革蘭氏陽性菌的抗菌作用很小。而Cu修飾的銅∕碳納米酶，可以通過高POD活性催化反應產生ROS，從而對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌發揮抗菌作用。這項研究為設計基于金屬碳納米酶的選擇性抗菌治療策略提供了依據。

納米酶的催化活性與pH有關，大多數納米酶在酸性溶液中有最高的催化活性，而生理條件下的pH值大都超過7.0［20］?；诖?，Chen等［21］構建了由鉑納米酶（Apt-PtNZ）、葡萄糖氧化酶（glucose oxidase， GOX）和透明質酸構成的具有靶向能力的納米膠囊APGH，其可由細菌釋放的透明質酸酶激活，隨后，Apt-PtNZ通過識別適體與細菌結合，GOX催化葡萄糖為葡萄糖酸和H2O2，從而降低創面pH值，并促進·OH的生成，展現出高效抗菌作用。該研究通過調控局部微環境改善了納米酶催化活性，為突破納米酶的生理局限性提供了新思路。

1.3 納米酶治療炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease， IBD）的研究進展

IBD是一組慢性非特異性腸道炎性疾病，主要包括潰瘍性結腸炎和克羅恩?。?2］。臨床上主要表現為反復腹痛、腹瀉、血便、里急后重等癥狀［23］。除了導致胃腸道受累外，IBD還可引起關節炎、壞疽性膿皮病、原發性硬化性膽管炎等許多腸外病變［24］。目前，IBD的傳統治療藥物主要包括氨基水楊酸制劑、糖皮質激素、免疫調節劑等，可以改善患者癥狀，但不能改變疾病的進程，且長期應用易導致不良反應［25］。因此，有待尋找一種療效顯著且不良反應少的治療藥物。

IBD的發病機制尚不明確，目前認為與遺傳因素、環境因素、免疫紊亂等有關［26］。氧化應激在IBD的發病和進展中起著重要作用［27］。因此，可以通過清除ROS抑制氧化應激以改善腸道微環境?；诖?，Zeng等［28］開發了一種二氧化鈰納米顆粒（CeNPPEG），它能持續清除ROS，明顯降低多種促炎細胞因子的水平，改善腸道微環境。這項研究為炎癥相關性疾病的治療提供了新的途徑。

除此之外，納米酶還可以和水凝膠、益生菌、藥物等其他物質組合，以協同治療IBD。Yang等［29］合成了一種負載溫敏水凝膠的具有多酶活性的Mn3O4納米酶（MLPPP），其中水凝膠可以保護納米酶免受胃酸的損傷，并可以將Mn3O4納米酶靶向至腸道炎癥部位。MLPPP對治療結腸炎小鼠具有很好的療效，它能通過直接清除ROS和重建細胞抗氧化系統來緩解IBD癥狀，并通過滅活TLR4∕NF-B通路發揮抗炎作用，它還具有保護腸黏膜和上皮屏障的作用。值得注意的是，IBD小鼠經MLPPP治療后的病理學指標水平與健康小鼠相當。這項研究揭示了納米酶水凝膠組合在IBD的治療中具有潛在應用價值。Li等［30］構建了一種由益生菌外膜囊泡包裹MnO2納米酶，它可以附著在腸道炎癥部位，清除腸道中過量的ROS，緩解炎癥部位的氧化應激。此外，該納米酶益生菌可以與抗炎藥物二甲雙胍聯用，能夠重塑促炎微環境和改善腸道微生物群，并且沒有明顯的全身毒性。這項研究為IBD的治療方法提供了一個新的思路。

1.4 納米酶在銀屑病治療中的研究進展

銀屑病是臨床上常見的皮膚病，是一種遺傳與環境因素共同作用誘發的免疫介導的慢性、復發性、炎癥性、系統性疾?。?1］。據統計，目前銀屑病的患病率在全球范圍內高達2% ～ 3%，已成為一個嚴重的全球性問題［32］。銀屑病的臨床表現多樣，以附著銀白色鱗屑的紅斑、斑塊為主。此外，銀屑病伴發關節炎、心血管疾病、代謝綜合征等疾病的風險增加，嚴重影響了患者的生活質量［33］。目前銀屑病尚無徹底治愈的方法，傳統治療手段療效不佳且有較大的毒副作用。雖然生物制劑在中重度銀屑病治療中取得了不錯的效果，然而由于其適應證局限、使用前需要進行篩查、價格昂貴等原因限制了其使用，另外對于輕度銀屑病患者仍缺乏安全有效的外用治療藥物。因此，探究一種經濟、安全且療效好的治療方法是很有必要的。

銀屑病的發病機制尚不完全清楚，目前認為ROS誘導的氧化應激在其發病中起到了關鍵作用。Blagov等［34］研究表明ROS是銀屑病發病各個階段的重要參與者，過量的ROS會打破細胞中的氧化還原平衡，導致氧化應激、表皮增殖及炎癥的發展，隨之白細胞、角質形成細胞釋放自身抗原，進而引發自身免疫反應，使其變成慢性、全身性炎癥反應。因此，根除ROS的抗氧化策略可能是銀屑病簡便、有效的治療選擇，而具有內在抗氧化酶樣活性的納米酶尚未充分研究用于銀屑病的治療。

Wu等［35］制備了一種具有多酶模擬活性和藥物負載活性的DIT@β-CDs∕CeO2納米酶，其可以拯救氧化應激下的細胞，并發揮協同抗銀屑病作用，還能有效清除超氧陰離子（O2·-）和H2O2，對ROS介導的損傷具有顯著的低溫保護作用。并且該納米酶對咪喹莫特乳膏誘導的銀屑病樣模型表現出良好的療效。該研究為應用納米酶治療銀屑病提供了依據，但相關實驗仍然十分匱乏，有待更多的動物實驗或臨床病例做進一步研究。

2 現狀與展望

近年來，納米酶因其卓越的性能得到了廣泛關注，并且在納米酶治療腫瘤、細菌感染、炎癥性腸病及銀屑病等方面做了大量且卓有成效的工作。盡管納米酶的研究取得了一定的進展，具有很好的應用前景，但目前仍存在一些問題限制了納米酶進一步的發展和應用：首先，與天然酶相比，納米酶的催化活性和選擇性仍然較低，絕大多數納米酶無法達到體內天然酶的水平，需要開發更高催化效率和選擇性的納米酶；其次，納米酶的研究主要集中在設計、合成、應用方面，涉及納米酶作用機制方面的深入研究還很少，因此，迫切需要深入探討納米酶催化機理等方面的研究；再次，與天然酶相比，納米酶模擬的催化活性種類較少，因此，需要制備更多種類的納米酶以更好地實現對諸多天然酶活性的模擬；此外，長期使用納米酶可能存在潛在毒性問題，這也阻礙了它的臨床轉化，因此，需要探究具有良好生物相容性和生物安全性的納米酶，加速納米酶的臨床應用?？偠灾?，納米酶的研究進展迅速，仍有許多未知之處等待去探索，如何實現納米酶的臨床轉化是重點問題之一，相信未來納米酶會在醫學治療中發揮更大的作用，扮演更重要的角色。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突