MOFs衍生納米酶在腫瘤治療中的研究進(jìn)展

覃麗婷，孫 蕓，徐柏龍，劉惠玉

(北京化工大學(xué) 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

1 前 言

癌癥是當(dāng)前世界上嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的重大疾病，具有難治愈、易復(fù)發(fā)等特點(diǎn)。臨床上常用的癌癥治療手段有手術(shù)切除、化療、放療等，然而這些傳統(tǒng)的癌癥治療手段存在副作用大和患者依從性差等問(wèn)題[1-3]。此外，腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment，TME)的特征，如乏氧、微酸性、高濃度的谷胱甘肽(glutathione，GSH，≈10×10-3mol·L-1)和H2O2((50～100)×10-3mol·L-1)等，會(huì)導(dǎo)致惡性實(shí)體瘤表現(xiàn)出免疫抑制、抗氧化應(yīng)激、易增殖和轉(zhuǎn)移，嚴(yán)重影響癌癥治療效果[2, 4-6]。因此，TME調(diào)節(jié)對(duì)消除惡性腫瘤至關(guān)重要。近年來(lái)，TME響應(yīng)性納米酶被開(kāi)發(fā)用于腫瘤治療。在微酸環(huán)境下，納米酶可通過(guò)模擬過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)活性將H2O2分解為高毒性的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡；利用氧化酶(oxidase，OXD)或谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione oxidase，GSHOx)活性可催化氧氣(O2)產(chǎn)生H2O2或氧化還原型GSH以降低生物體的損傷；模擬過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)可將H2O2轉(zhuǎn)化為O2來(lái)緩解腫瘤乏氧[5, 6]。基于此，發(fā)展具有內(nèi)源性響應(yīng)和腫瘤特異性的納米酶催化療法可以有效緩解腫瘤乏氧、放大腫瘤氧化應(yīng)激、逆轉(zhuǎn)免疫抑制，從而能夠特異性地殺死腫瘤細(xì)胞，并且不會(huì)對(duì)周?chē)＝M織產(chǎn)生毒副作用，因而具有廣闊的應(yīng)用前景[7, 8]。

自2007年閻錫蘊(yùn)課題組發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米顆粒可以模擬POD活性以來(lái)[9]，越來(lái)越多的納米材料諸如金屬納米顆粒、金屬氧化物、碳基材料和金屬有機(jī)框架(metal-organic frameworks, MOFs)等的類(lèi)酶活性相繼被發(fā)現(xiàn)[10]。其中，MOFs及其衍生物作為納米酶，具有催化活性高、比表面積可調(diào)和表面易修飾等優(yōu)勢(shì)，引起了研究者們的廣泛關(guān)注[11, 12]。一般來(lái)說(shuō)，MOFs作為前驅(qū)體或模板經(jīng)過(guò)熱解后可以得到能夠表現(xiàn)特定的類(lèi)酶活性或多種類(lèi)酶活性(包括類(lèi)CAT、POD和GSHOx等)的納米酶。并且其可以保持MOFs固有的多孔性質(zhì)，有利于電子轉(zhuǎn)移和物質(zhì)傳遞，從而提高了納米酶的催化活性，使得MOFs衍生納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用前景[13]。本綜述系統(tǒng)性地總結(jié)了MOFs衍生納米酶的類(lèi)型，討論了MOFs衍生納米酶催化活性的調(diào)控策略，詳細(xì)回顧了MOFs衍生納米酶介導(dǎo)的腫瘤治療的最新進(jìn)展。最后，提出了當(dāng)前MOFs衍生納米酶在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中仍面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)展望。

2 MOFs衍生納米酶的分類(lèi)

由于具有結(jié)構(gòu)多樣和功能可調(diào)的特點(diǎn)，MOFs已經(jīng)被廣泛用作構(gòu)建MOFs衍生納米酶的犧牲模板和前驅(qū)體。目前，已發(fā)展的MOFs衍生納米酶包括金屬氧化物、金屬/碳化物、金屬氧化物/碳、金屬硫化物和單原子納米酶(single-atom nanozymes, SAzymes)等。值得注意的是，這些納米酶在一定程度上可以繼承MOFs大的比表面積，以及多孔、活性位點(diǎn)豐富的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能[14]，為構(gòu)建納米酶開(kāi)辟了一條新的途徑。本節(jié)將對(duì)MOFs衍生納米酶的種類(lèi)進(jìn)行綜述和討論。

2.1 MOFs衍生的金屬氧化物納米酶

以MOFs為前驅(qū)體構(gòu)建的金屬氧化物納米酶，在能源、催化、傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛探索。通過(guò)水/溶劑熱處理和離子交換等方法合成MOFs前驅(qū)體后，在空氣氣氛條件下熱解，周期性排列的金屬離子將直接轉(zhuǎn)化為均勻分布的金屬氧化物納米顆粒，部分碳組分被氧化成氣態(tài)CO2/CO并從骨架中逸出，同時(shí)有機(jī)配體轉(zhuǎn)化為多孔碳質(zhì)結(jié)構(gòu)[14-17]。這類(lèi)金屬氧化物納米酶具有豐富的氧空位、可變的金屬價(jià)態(tài)和增強(qiáng)的類(lèi)酶活性。例如，Lv等將ZnCo沸石咪唑酯框架骨架(ZnCo-zeolitic imidazolate framework, ZnCo-ZIF)置于空氣中煅燒3 h，制備了多孔雙過(guò)渡金屬氧化物納米籠(ZnO-Co3O4NCs)，該納米酶表現(xiàn)出優(yōu)異的類(lèi)POD活性，在H2O2存在下，可以催化其產(chǎn)生羥基自由基(·OH)并將無(wú)色的四甲基聯(lián)苯胺(TMB)氧化形成藍(lán)色產(chǎn)物，即氧化型TMB(oxTMB)[18]。Chen等采用ZIF-67和[Fe(CN)6]3-陰離子交換反應(yīng)制備了ZIF-67@Co-Fe普魯氏藍(lán)類(lèi)似物(PBA)蛋黃殼多面體，并將其置于空氣中煅燒得到了Co3O4@Co-Fe氧化物雙層納米籠(DSNCs)。透射電子顯微鏡(TEM)照片證明了該氧化物具有雙殼結(jié)構(gòu)(圖1a)，其獨(dú)特的雙殼納米結(jié)構(gòu)可以同時(shí)作為活性位點(diǎn)和底物通道(圖1b)，使得高類(lèi)POD活性成為可能(圖1c)[19]。最近，Zeng等將牛血清蛋白(BSA)封裝在Mn-MOF中，在空氣中煅燒后，得到多孔Mn3O4納米粒子(bMn3O4)。在H2O2存在下，具有雙重酶活性(類(lèi)POD和OXD)的bMn3O4能夠增強(qiáng)膽固醇氧化酶(ChOx)的催化活性，使得ChOx-bMn3O4雜交納米酶可以高靈敏度地檢測(cè)血清樣品中的膽固醇[20]。

2.2 MOFs衍生的金屬/碳納米酶

基于MOFs具有豐富的金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體的特點(diǎn)，將其在惰性氣氛(如Ar和N2)下進(jìn)行熱解可以將有機(jī)配體轉(zhuǎn)化為多孔碳結(jié)構(gòu)，同時(shí)MOFs中的金屬陽(yáng)離子被還原成金屬納米顆粒。通過(guò)控制熱解條件，可以得到不同碳基質(zhì)比例和金屬納米顆粒尺寸的金屬/碳納米酶[16, 21, 22]。此外，這樣制備得到的碳基體不需要額外的穩(wěn)定劑就可以作為錨定金屬納米顆粒的載體，避免了由穩(wěn)定配體引起的金屬納米顆粒表面氧化的問(wèn)題，同時(shí)也防止了金屬納米顆粒的聚集，從而增加納米酶的比表面積并提高其酶活性[13]。例如，Tan等通過(guò)熱解Cu基MOFs(HKUST-1)制備了金屬/碳納米復(fù)合材料(Cu NPs@C)，表面不含穩(wěn)定劑的Cu NPs在MOFs衍生的碳基質(zhì)中高度分散，使得Cu NPs@C具有優(yōu)異的類(lèi)POD活性，并且其對(duì)H2O2的親和力高于天然辣根過(guò)氧化物酶(horseradish peroxidase, HRP)[23]。類(lèi)似地，Song等將Cu基MOFs(HKUST-1)置于500 ℃和N2氣氛下碳化10 h，制備了Cu納米顆粒嵌入的多孔碳復(fù)合材料(Cu@C-500)，用于比色葡萄糖傳感(圖1d)。TEM照片證明，Cu納米顆粒存在并均勻分散在多孔碳復(fù)合材料中(圖1e)。在H2O2存在條件下，Cu@C-500的類(lèi)POD活性高于前驅(qū)體HKUST-1(圖1f)[24]。2018年，Li等通過(guò)在N2氣氛下對(duì)二甲基咪唑鈷(ZIF-67)進(jìn)行熱解，得到了Co和N共摻雜的介孔碳納米酶(Co,N-HPC)。在熱解過(guò)程中，Co2+被熱還原成均勻的Co NPs，使得Co,N-HPC具有優(yōu)異的類(lèi)OXD活性，用于GSH檢測(cè)[25]。

圖1 金屬有機(jī)框架(MOFs)衍生的金屬氧化物納米酶和金屬/碳納米酶：(a)Co3O4@Co-Fe的TEM照片，(b)Co3O4@Co-Fe的類(lèi)過(guò)氧化物酶(peroxidase, POD)活性示意圖，(c)Co3O4@Co-Fe在不同H2O2濃度下催化四甲基聯(lián)苯胺(TMB)氧化的紫外可見(jiàn)光譜[19]；(d)Cu@C-500的合成及催化示意圖，(e)Cu@C-500的TEM照片，(f)不同材料的類(lèi)POD活性的紫外可見(jiàn)光譜，其中，i：Cu@C-500，ii：HKUST-1，iii：銅箔，iv：活性炭[24]Fig.1 Metal-organic frameworks (MOFs)-derived metal oxide and metal/carbon nanozymes: (a) TEM image of Co3O4@Co-Fe, (b) schematic illustration of POD-like activity by Co3O4@Co-Fe, (c) UV-vis absorption spectra of TMB oxidation catalyzed by Co3O4@Co-Fe at different H2O2 concentrations[19]; (d) schematic illustration of synthesis of enzyme-like catalysis of Cu@C-500, (e) TEM image of Cu@C-500, (f) UV-vis absorption spectra of POD-like activity of different materials, i: Cu@C-500, ii: HKUST-1, iii: copper foil, iv: activated carbon[24]

2.3 MOFs衍生的金屬氧化物/碳納米酶

通過(guò)在惰性氣氛下熱解MOFs前驅(qū)體、空氣中氧化這2個(gè)步驟，可以將金屬氧化物固定在碳質(zhì)結(jié)構(gòu)上，從而形成金屬氧化物/碳納米酶，顯示出優(yōu)異的催化性能。例如，Wang等報(bào)道了一種Cu摻雜的氧化鈷多孔碳納米復(fù)合材料(CuCo(O)@PCNs)。先通過(guò)在N2氣氛下對(duì)Cu/ZIF-8@ZIF-67進(jìn)行熱解，合成Cu/Co錨定N摻雜碳納米管中空多面體(Cu/Co-NCNHP)；之后將Cu/Co-NCNHP置于空氣中煅燒，得到了具有類(lèi)CAT活性的CuCo(O)@PCNs(圖2a)，可與H2O2反應(yīng)生成O2(圖2b)[26]。類(lèi)似地，F(xiàn)an等利用靜電吸附作用制備得到具有碳基質(zhì)前驅(qū)體的ZIF-8@GO，并將其先后置于在Ar和空氣中進(jìn)行煅燒，并負(fù)載熱響應(yīng)電刷(thermally responsive brushes, TRB)得到了具有優(yōu)異抗菌活性的TRB-ZnO@G，并且不會(huì)對(duì)正常皮膚組織造成損傷[27]。最近，Xu等以MnCo普魯士藍(lán)(MnCo-PBA)為前體，制備了具有蛋黃殼納米籠形貌的MnCo雙金屬氧化物碳納米酶(MnCo@C NCs)。該納米酶具有包括類(lèi)OXD、CAT和漆酶在內(nèi)的多種類(lèi)酶活性，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，可用于抗壞血酸、2,4-二氯苯酚和腎上腺素的快速比色檢測(cè)[28]。

2.4 MOFs衍生的金屬硫化物納米酶

通過(guò)界面工程策略可以對(duì)MOFs金屬節(jié)點(diǎn)和配體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行理性設(shè)計(jì)，其中，引入雜原子和構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)納米酶表面的電子轉(zhuǎn)移和再分布，從而得到具有復(fù)合結(jié)構(gòu)、多金屬價(jià)態(tài)和豐富活性的納米酶。例如，通過(guò)高溫煅燒硫化法可以得到MOFs衍生的金屬硫化物。將MOFs前驅(qū)體置于N2氣氛中并加入硫源一起進(jìn)行煅燒，在煅燒過(guò)程中，金屬離子被硫化，MOFs的有機(jī)配體被碳化從而原位封裝形成金屬硫化物[29]。Xiong等采用HKUST-1作為前體、Na2S·9H2O充當(dāng)硫源，制備了具有高類(lèi)POD活性的PCuS納米顆粒，并將其作為一種新型的POD用于比色檢測(cè)[30]。Wang等將硫粉與Co/Mo-MOF置于N2氣氛下進(jìn)行熱解，合成了CoS2/MoS2納米片(圖2c)。為了研究CoS2/MoS2的酶催化機(jī)制，選擇電子自旋共振(electron spin resonance, ESR)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)CoS2/MoS2與H2O2混合時(shí)，ESR圖譜中超氧陰離子(·O2-)信號(hào)顯著增強(qiáng)，證實(shí)了CoS2/MoS2具有類(lèi)酶活性(圖2d)[31]。

圖2 MOFs衍生的金屬氧化物/碳和金屬硫化物納米酶：(a)CuCo(O)@PCNs的制備過(guò)程示意圖，(b)CuCo(O)@PCNs在不同條件下的O2生成曲線[26]；(c)CoS2/MoS2納米片的合成示意圖，(d)電子自旋共振(electron spin resonance, ESR)測(cè)試·O2-的產(chǎn)生[31]Fig.2 MOFs-derived metal oxide/carbon and metal sulfide nanozymes: (a)schematic illustration of preparation process of CuCo(O)@PCNs, (b) O2 generation curves of CuCo(O)@PCNs under different conditions[26]; (c) schematic illustration of CoS2/MoS2 synthesis, (d) ESR spectra demonstrating ·O2- generation[31]

2.5 MOFs衍生的單原子納米酶

在催化過(guò)程中，納米酶表面通常僅有少量活性原子起作用，導(dǎo)致活性位點(diǎn)密度低、原子利用率不足和催化機(jī)制不明確。受天然金屬酶特定空間結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，構(gòu)建簡(jiǎn)單配位結(jié)構(gòu)的SAzyme是克服上述缺陷的有效途徑。通過(guò)調(diào)控表面原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)，納米酶的金屬利用效率顯著提升，這有助于提升其催化活性。目前，研究者們發(fā)展了包括缺陷工程、犧牲模板、電化學(xué)腐蝕和高溫?zé)峤獾仍趦?nèi)的合成策略，用于制備高活性SAzyme。通過(guò)合理設(shè)計(jì)金屬原子結(jié)合配位點(diǎn)，不僅能提升SAzyme的金屬負(fù)載量，還能改善金屬前體的原子分散程度。其中，以MOFs為異質(zhì)原子摻雜的載體，在特定氣體(如H2、N2、Ar和NH3)的保護(hù)下，通過(guò)熱解獲得具有均勻分布活性位點(diǎn)的SAzyme是一種備受關(guān)注的新策略[32]。在熱解過(guò)程中，MOFs中的金屬節(jié)點(diǎn)可以原位轉(zhuǎn)化為碳載體上的孤立單原子金屬位點(diǎn)。該策略具有易于引入雜原子錨定金屬原子和高金屬負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，從而可以有效提高納米酶活性，同時(shí)還能通過(guò)活性位點(diǎn)的精確識(shí)別來(lái)闡述構(gòu)效關(guān)系，促進(jìn)納米酶的合理設(shè)計(jì)[13, 33, 34]。在作者研究組以ZIF-8為模板制備了平均直徑為130 nm的單原子納米酶(porphyrin-like metal centers nanoparticles, PMCS)(圖3a)，通過(guò)高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)證實(shí)了PMCS中含有原子分散的鋅原子(圖3b)，同時(shí)，由于其不飽和的Zn-N4活性位點(diǎn)使其具有優(yōu)異的類(lèi)POD活性(圖3c)[35]。該工作提出的單原子納米酶的概念極大地推動(dòng)了納米酶領(lǐng)域的發(fā)展。此外，作者研究組還證明了PMCS在近紅外(near infrared, NIR)激光照射下類(lèi)酶活性進(jìn)一步增強(qiáng)。負(fù)載PMCS的微針系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的抗菌性能，實(shí)現(xiàn)了光控增強(qiáng)酶活性的傷口管理應(yīng)用[36]。Huang等在N2氣氛下對(duì)MOFs封裝的鐵酞菁進(jìn)行熱解，制備了一種具有高類(lèi)OXD活性的碳納米框架軸向N配位的單原子鐵納米酶(FeN5SA/CNF)。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征對(duì)比FeN4SA/CNF和MN5SA/CNF(M=Mn，F(xiàn)e，Co，Ni和Cu)的類(lèi)OXD活性，發(fā)現(xiàn)FeN5SA/CNF具有最強(qiáng)的類(lèi)OXD活性。這是由于FeN5SA/CNF的單原子活性位點(diǎn)的催化行為類(lèi)似于細(xì)胞色素P450的軸向配位血紅素[37]。隨后，作者研究組報(bào)道了一種三聚氰胺介導(dǎo)的熱解活化策略，得到了與HRP結(jié)構(gòu)高度相似的五配位結(jié)構(gòu)的鐵基單原子納米酶(FeN5SAzyme)(圖3d)。與不含F(xiàn)e原子的碳納米球(monodisperse carbon nanospheres, MCS)相比，F(xiàn)eN5SAzyme表現(xiàn)出更高的類(lèi)POD活性(圖3e)[38]。這些研究表明，SAzyme的催化活性主要取決于其活性中心的空間結(jié)構(gòu)，因此，通過(guò)研究不同金屬原子活性中心有利于揭露不同的SAzyme的類(lèi)酶活性和催化機(jī)制。基于此，Cao等合成了20種不同類(lèi)型金屬原子N配位中心的人造金屬納米酶(artificial metalloenzymes，AMEs)，掃描電子顯微鏡(SEM)照片顯示，制備的AMEs具有相似的納米立方體形態(tài)和粒徑(圖3f)。通過(guò)研究它們的類(lèi)OXD、POD和鹵素過(guò)氧化物酶(HPO)的催化活性，揭示不同的活性金屬中心對(duì)納米酶催化活性的影響。通過(guò)密度泛函理論(density functional theory，DFT)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，AMEs的催化活性與金屬中心的電子結(jié)構(gòu)高度相關(guān)。由于Fe-AME與H2O2底物的相互作用強(qiáng)于其他AME，且生成·O2-的能壘更低，其表現(xiàn)出最高的類(lèi)OXD(圖3g)和HPO活性，而Cu-AME則表現(xiàn)出最高的類(lèi)POD活性(圖3h)[39]。

圖3 MOFs衍生的單原子納米酶：(a)單原子納米酶(PMCS)的TEM照片，(b)PMCS的亞埃分辨率的HAADF-STEM照片，部分單個(gè)Zn原子用紅色圈出，(c)不同濃度的PMCS的類(lèi)POD活性[35]；(d)FeN5 SAzyme的制備過(guò)程示意圖，(e)不同材料的類(lèi)POD活性比較[38]；(f)人造金屬納米酶(artificial metalloenzymes，AMEs)的SEM照片，(g)不同AMEs的類(lèi)氧化酶(oxidase, OXD)活性比較，(h)不同AMEs的類(lèi)POD活性比較[39]Fig.3 MOFs-derived SAzyme: (a) TEM image of PMCS, (b) sub-angstrom resolution HAADF-STEM images of the PMCS, partial single Zn atoms are circled in red, (c) POD-like activity of PMCS at different concentrations[35]; (d) schematic illustration of preparation process of FeN5 SAzyme, (e) comparison of POD-like activity of different materials[38]; (f) SEM images of AMEs, (g) comparison of OXD-like activity of different AMEs, (h) comparison of POD-like activity of different AMEs[39]

3 MOFs衍生納米酶的活性調(diào)控策略

結(jié)構(gòu)和功能對(duì)納米酶的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，通過(guò)模擬天然酶的催化位點(diǎn)或催化機(jī)制可以合理構(gòu)建MOFs衍生納米酶，但是如何進(jìn)一步提高其活性仍是目前研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，研究者們提出了一些具體的策略來(lái)提高酶催化活性，包括表面結(jié)構(gòu)調(diào)控、雜原子摻雜、構(gòu)建雙金屬M(fèi)OFs前體和基于MOFs的配體交換策略。

3.1 表面結(jié)構(gòu)調(diào)控

研究表明，納米酶的形態(tài)會(huì)在很大程度上影響其催化活性，對(duì)納米酶的形態(tài)調(diào)控主要涉及到形貌、尺寸、比表面積以及孔徑。一般來(lái)說(shuō)，尺寸小而孔徑大的納米酶的催化活性要高于尺寸大而孔徑小的納米酶，這是因?yàn)樵黾拥谋缺砻娣e和孔體積可以為反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)[40, 41]。Wang等使用不同的軟模板(如Pluronic F127和Pluronic P123)或無(wú)模板制備了具有不同比表面積的納米酶(分別記為Co3O4-F、Co3O4-P和Co3O4)。由于Co3O4-F具有更小的尺寸和更多的孔結(jié)構(gòu)，使其比表面積(244.4 m2·g-1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Co3O4-P(192.6 m2·g-1)和Co3O4(168.2 m2·g-1)，故能為催化反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)，因此Co3O4-F具有最高的類(lèi)酶活性[42]。此外，由于不同形態(tài)的納米酶具有不同的暴露面，納米酶的催化活性還可以通過(guò)控制其形態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)[40, 43]。Song等制備的CuCo2O4納米棒，由于其大比表面積和多孔結(jié)構(gòu)有利于底物與催化位點(diǎn)接觸，使得CuCo2O4表現(xiàn)出優(yōu)異的類(lèi)OXD(圖4a)和CAT活性(圖4b)。與已報(bào)道的Co-MOFs衍生的塊狀Co3O4納米片相比，介孔CuCo2O4納米棒對(duì)TMB具有更高的親和力(圖4c)，這是因?yàn)閴K狀納米片結(jié)構(gòu)缺乏有效的催化位點(diǎn)[44]。多孔碳載體能夠?yàn)榛钚越饘僭犹峁┴S富的表面積和通道，有利于金屬原子催化活性的提升。例如，Niu等將原子分散的Fe摻雜在MOFs衍生的多孔碳中，形成了Fe-NC單原子納米酶(Fe-NC SAN)。由于單原子Fe位點(diǎn)的充分利用和多孔碳載體的大比表面積，其作為POD模擬物的比活性高達(dá)57.76 U·mg-1，可以與HRP相媲美[45]。

3.2 雜原子摻雜

雜原子(如B，P，N，S等)摻雜被認(rèn)為是一種有前景的活性調(diào)控策略。通過(guò)雜原子電負(fù)性的差異來(lái)調(diào)節(jié)中心金屬原子的電子結(jié)構(gòu)，以此改善納米酶表面的電子性質(zhì)。此外，雜原子的引入使其與金屬原子之間具有協(xié)同效應(yīng)，使得納米酶的催化活性得以提高[46-48]。Jiao等發(fā)現(xiàn)在Fe-N-C單原子納米酶(FeNC SAzymes)中摻雜B原子可以調(diào)節(jié)Fe-N4的電子結(jié)構(gòu)，降低反應(yīng)中間體形成的能壘，從而增強(qiáng)FeNC SAzymes的類(lèi)POD活性[49]。Ji等構(gòu)建了一種P和N原子摻雜的單原子納米酶(FeN3P-SAzyme)。能量色散光譜(EDS)分析表明，F(xiàn)e，C，N和P元素均勻分散在FeN3P-SAzyme的整個(gè)結(jié)構(gòu)中，證明了P和N原子摻雜成功。此外，通過(guò)納米酶催化比色反應(yīng)的吸收強(qiáng)度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eN3P-SAzyme具有優(yōu)異的類(lèi)POD活性，其比活性(316 U·mg-1)分別是Fe3O4(9.12 U·mg-1)和無(wú)P原子的FeN4-SAzyme(33.8 U·mg-1)的約30倍和10倍。這是因?yàn)镻和N原子的精確配位可以調(diào)節(jié)單原子Fe活性中心，并且P原子的電負(fù)性弱于N原子，使得FeN3P-SAzyme中的Fe原子的電子轉(zhuǎn)移要少于FeN4-SAzyme，從而增強(qiáng)了FeN3P-SAzyme的催化活性[50]。2020年，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)逆轉(zhuǎn)熱燒結(jié)過(guò)程，將負(fù)載在ZIF-8上的Pt納米顆粒(Pt NPs)直接霧化成單個(gè)原子，得到了N，P和S共摻雜的Pt單原子納米酶(PtTS-SAzyme)。通過(guò)對(duì)PtTS-SAzyme進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)分析，證明了N，P和S原子的存在(圖4d)。此外，為了證明PtTS-SAzyme高的酶活性，將其與用Pt NPs以及不含Pt活性位點(diǎn)的N，P和S摻雜的空心碳多面體(NPS-HC)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)證明， P和S原子能夠促進(jìn)Pt NPs向PtTS-SAzyme原子化過(guò)程，而且由于P原子的電子捐贈(zèng)以及N和S原子的電子受體效應(yīng)，導(dǎo)致單原子Pt催化位點(diǎn)具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，使得PtTS-SAzyme具有最高的類(lèi)POD活性(圖4e和4f)[51]。

3.3 構(gòu)建雙金屬M(fèi)OFs前驅(qū)體

金屬元素能夠?yàn)榇呋瘎┨峁┬碌幕钚晕稽c(diǎn)，在單金屬化合物中引入第2個(gè)金屬位點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)催化活性是一種提高納米酶活性的有效策略。與單金屬M(fèi)OFs相比，雙金屬M(fèi)OFs的雙金屬配位結(jié)構(gòu)可以增加催化中心的數(shù)量，而且2個(gè)金屬元素中心的電位差有利于電子轉(zhuǎn)移從而提高催化活性，增強(qiáng)催化能力[52]。通常，在制備原始MOFs的過(guò)程中引入二次金屬元素，并對(duì)該MOFs進(jìn)行高溫煅燒可以將其轉(zhuǎn)化為MOFs衍生的雙金屬納米酶。例如，Liu等通過(guò)水熱法制備了雙金屬CoMn-MOF-74，并將其置于空氣氣氛中煅燒6 h，得到了多孔混合雙金屬氧化物納米酶(MnCo2O4)。由于過(guò)渡金屬離子Co(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)具有潛在的氧還原活性，可以參加自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而加快電子轉(zhuǎn)移速率，使其具有良好的酶模擬活性[53]。Zhang等通過(guò)一步水熱法構(gòu)建了Co/Mn氧化物，由于表面不同的氧化價(jià)態(tài)(如Co2+/Co3+、Mn2+/Mn3+和Mn3+/Mn4+)的氧化還原作用促進(jìn)了不同價(jià)態(tài)陽(yáng)離子之間的電子轉(zhuǎn)移作用，使其比單獨(dú)的三氧化二錳(Mn2O3)和Co3O4具有更優(yōu)異的類(lèi)OXD活性[54]。2020年，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了一系列衍生自Co基同源雙金屬中空納米籠(HNCs)(C-CoM-HNC, M=Ni，Mn，Cu，Zn)的策略。在該策略中，不僅MOFs前體的結(jié)構(gòu)以可控的方式被改變，而且二次金屬離子的引入可以與固有的Co2+形成協(xié)同活性位點(diǎn)，使得C-CoM-HNC表現(xiàn)出了比單金屬C-Co-HNC更高的類(lèi)OXD活性[55]。Mu等研究了不同物質(zhì)的量比例的Fe和Ni的含量對(duì)雙金屬M(fèi)OFs(FexNiy-MOF)的類(lèi)POD活性影響，發(fā)現(xiàn)2種金屬同時(shí)存在時(shí)其類(lèi)酶活性要顯著高于單金屬M(fèi)OFs(圖4g)。通過(guò)循環(huán)伏安法和ESR表征研究了FexNiy-MOF的催化機(jī)理。在H2O2存在下，比較了Fe-MOF、Ni-MOF和Fe3Ni-MOF的還原電流強(qiáng)度順序，發(fā)現(xiàn)它們的還原電流強(qiáng)度順序與其類(lèi)酶活性順序一致(圖4h)。這是由于Ni原子的引入提高了FexNiy-MOF的氧化還原能力，加速了TMB和H2O2之間的電子轉(zhuǎn)移，從而提高了Fe3+和Fe2+之間的轉(zhuǎn)化效率，促進(jìn)了·OH的生成(圖4i)[56]。

圖4 MOFs衍生納米酶的活性的調(diào)控策略：(a)不同底物溶液的紫外可見(jiàn)吸收光譜(1：ABTS，2：TMB，3：CuCo2O4+ABTS，4：CuCo2O4+TMB，插圖為不同底物的溶液顏色變化)，(b)不同底物溶液中H2O2分解成氧氣的時(shí)間依賴性引起的壓力變化(1：H2O2，2：H2O2+CuCo2O4，插圖為氣泡產(chǎn)生的照片)，(c)不同材料的類(lèi)OXD活性比較[44]；(d)PtTS-SAzyme的原子結(jié)構(gòu)分析，(e)不同類(lèi)型的納米酶在652 nm處的紫外可見(jiàn)吸收曲線，(f)圖4e左下角虛線框部分的放大圖[51]；(g)FexNiy-MOF中不同物質(zhì)的量比例的Fe和Ni含量的類(lèi)POD活性，(h)循環(huán)伏安法測(cè)定不同材料的電流強(qiáng)度，(i)ESR測(cè)試不同材料的·OH產(chǎn)生[56]Fig.4 Activity regulation strategies of MOFs-derived nanozymes: (a) UV-vis absorption spectra of different substrate solutions (1： ABTS, 2： TMB, 3： CuCo2O4+ABTS, 4： CuCo2O4+TMB, inset shows color changes with different substrate solutions), (b) time-dependent decomposition of H2O2 into oxygen caused by pressure changes at different substrate solutions (1: H2O2, 2: H2O2+CuCo2O4, inset shows the photo of bubble production), (c) comparison of OXD-like activity of different materials[44]; (d) atomic structure analysis of PtTS-SAzyme, (e) UV-vis absorption curves of different types of nanozymes at 652 nm, (f) enlarge the part of dotted box in the lower left corner of figure (e)[51]; (g) POD-like activity of different molar ratios of Fe and Ni contents in FexNiy-MOF, (h) cyclic voltammetry was used to measure the reduction current intensity of different materials, (i) ESR spectra demonstrating ·OH generation of different materials[56]

3.4 基于MOFs的配體交換

MOFs具有多種有機(jī)連接劑和原子分散的金屬結(jié)構(gòu)單元，因此，通過(guò)對(duì)金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可以有效調(diào)節(jié)MOFs的類(lèi)酶活性[13]。例如，將官能團(tuán)(—NH2、—NO2等)引入MOFs并且取代其配體上的H原子就是其中一種調(diào)控策略，其不僅可以影響金屬原子周?chē)碾娮釉泼芏龋€可以改變催化劑的氧化還原電位和穩(wěn)定性，使MOFs的微觀結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)得到很好的調(diào)控，從而提高酶活性。Wu等選擇了與金屬蛋白酶具有類(lèi)似金屬-有機(jī)配體配位結(jié)構(gòu)的MOFs材料，通過(guò)引入—F、—Br、—NH2、—CH3和—OH基團(tuán)來(lái)取代1,4-苯二甲酸(BDC)配體中的H，以此調(diào)整BDC配體的電子特性，從而調(diào)控MIL-47(V)-X的類(lèi)酶活性，并將其用于體內(nèi)抗炎治療[57]。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還采用有機(jī)框架MIL-53(Fe)-X納米酶作為研究模型，通過(guò)改變配體的取代基X(X=NH2、CH3、H、OH、F、Cl、Br和NO2)來(lái)調(diào)整類(lèi)OXD活性，發(fā)現(xiàn)MIL-53(Fe)-X的類(lèi)OXD活性與配體推拉電子性能之間存在Hammett線性構(gòu)效關(guān)系。通過(guò)DFT進(jìn)一步計(jì)算了MIL-53(Fe)-X的結(jié)構(gòu)和能量，揭示了MIL-53(Fe)-X的類(lèi)OXD催化反應(yīng)過(guò)程中電子傳遞是整個(gè)催化過(guò)程的決速步驟，而NO2取代的MIL-53(Fe)-X由于其電子傳遞步驟中能壘最低，因此其類(lèi)酶活性最高，是未取代MIL-53(Fe)-H納米酶活性的10倍[58]。此外，Xu等采用DFT計(jì)算來(lái)說(shuō)明—NO2的幾何效應(yīng)和電子效應(yīng)，進(jìn)一步從電子結(jié)構(gòu)的角度揭示NO2-MIL-101具有優(yōu)異催化活性的機(jī)理，最后確定NO2-MIL-101活性的增強(qiáng)可能是Fe活性位點(diǎn)的懸鍵(dZ2)方向上電子減少所致[59]。

4 MOFs衍生納米酶催化用于癌癥協(xié)同治療

近年來(lái)，由于催化活性高、底物特異性強(qiáng)和副作用小的優(yōu)勢(shì)，MOFs衍生納米酶已被廣泛用于腫瘤治療領(lǐng)域。通過(guò)催化TME中過(guò)量的H2O2產(chǎn)生ROS來(lái)有效誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡，使得MOFs衍生納米酶在介導(dǎo)催化治療及其協(xié)同療法(如光動(dòng)力治療(photodynamic therapy, PDT)、光熱治療(photothermal therapy, PTT)和化療等)中取得了一定的進(jìn)展。本節(jié)將對(duì)MOFs衍生納米酶在腫瘤治療應(yīng)用中的進(jìn)展進(jìn)行綜述和討論。

4.1 MOFs衍生納米酶介導(dǎo)的催化療法

近年來(lái)，基于納米酶介導(dǎo)的催化腫瘤治療引起了廣泛關(guān)注。然而TME中高水平的GSH往往限制其治療效果。基于此，Wang等采用一步自組裝法合成了具有類(lèi)POD和GSHOx級(jí)聯(lián)催化活性的六氰鐵酸銅(Cu-HCF)，通過(guò)消耗細(xì)胞內(nèi)的GSH將CuⅡ轉(zhuǎn)為CuⅠ，隨后進(jìn)行類(lèi)芬頓反應(yīng)放大類(lèi)POD活性，從而產(chǎn)生大量的·OH用于誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[60]。為了提高腫瘤內(nèi)H2O2的含量，Sang等制備了具有類(lèi)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性的仿生納米酶(PZIF67-AT)。其類(lèi)SOD活性可將·O2-轉(zhuǎn)化為H2O2，從而促進(jìn)H2O2的產(chǎn)生。此外，負(fù)載的3-氨基-1,2,4-三唑(3-AT)可以抑制納米酶的類(lèi)CAT活性，在抑制H2O2消除的同時(shí)也提高了細(xì)胞內(nèi)的H2O2水平，并能通過(guò)類(lèi)芬頓反應(yīng)將H2O2轉(zhuǎn)化為·OH，對(duì)腫瘤細(xì)胞顯示出濃度依賴性的毒性(圖5a和圖5b)，并且在動(dòng)物水平治療上也抑制了腫瘤生長(zhǎng)(圖5c)[61]。最近，Cao等以ZIF-8為前驅(qū)體，制備了氮摻雜鐵卟啉中心的單原子納米酶(Fe/PMCS)。得益于Fe/PMCS高的類(lèi)OXD和POD活性以及GSH消耗能力，F(xiàn)e/PMCS可以選擇性地釋放大量ROS并剝奪腫瘤中的GSH(圖5d)。此外，通過(guò)在Fe/PMCS上修飾DNA(mDNA、aDNA和cDNA)可以提高H2O2和催化底物的親和力，進(jìn)一步提高ROS的生成量。更重要的是，mDNA可以增強(qiáng)對(duì)癌細(xì)胞的親和力，使得macDNA-Fe/PMCS可以特異性地促進(jìn)癌細(xì)胞鐵死亡(圖5e)，表現(xiàn)出了顯著的體內(nèi)治療效果(圖5f)[62]。

圖5 MOFs衍生納米酶介導(dǎo)的腫瘤催化治療：(a)PZIF67-AT納米酶用于腫瘤治療示意圖，(b)不同材料處理后的腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞活力，(c)不同材料治療后的小鼠腫瘤生長(zhǎng)曲線[61]；(d)macDNA-Fe/PMCS用于腫瘤治療的示意圖，(e)macDNA-Fe/PMCS通過(guò)類(lèi)酶活性和GSH消耗特異性增強(qiáng)鐵死亡的示意圖，(f)不同材料治療14 d后的腫瘤重量，Ⅰ：對(duì)照組，Ⅱ：Fe3O4，Ⅲ：macDNA-Fe/PMCS +liproxstatin-1，Ⅳ：macDNA-Fe/PMCS[62]Fig.5 MOFs-derived nanozyme-mediated tumor catalytic therapy: (a)schematic diagram of PZIF67-AT nanozyme for tumor therapy, (b) cell viability of tumor cells treated with different materials, (c) tumor growth curves of mice after different treatments[61]; (d) schematic diagram of macDNA-Fe/PMCS SAzymes for tumor therapy, (e) schematic of macDNA-Fe/PMCS SAzymes enhancing ferroptosis through enzyme-like activity and GSH depletion specificity, (f) weight of the tumor after 14 days treated with different materials, Ⅰ: Control, Ⅱ: Fe3O4, Ⅲ: macDNA-Fe/PMCS +liproxstatin-1, Ⅳ: macDNA-Fe/PMCS [62]

4.2 MOFs衍生納米酶協(xié)同光療

腫瘤的光療包括PDT和PTT，其中，PDT是利用光敏劑在激光照射下產(chǎn)生高毒性的ROS，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[63]。然而，腫瘤中的乏氧環(huán)境極大地限制了ROS水平，顯著降低了PDT治療效果。基于此，Han等制備了MnFe2O4/C納米酶，通過(guò)催化H2O2產(chǎn)生O2以緩解腫瘤乏氧，從而提高PDT的治療效果[64]。Wang等設(shè)計(jì)了一種具有類(lèi)CAT活性的多功能介孔納米酶(MCOPP-Ce6)，可以催化內(nèi)源性H2O2產(chǎn)生O2，用于緩解腫瘤乏氧。同時(shí)，負(fù)載的Ce6在NIR激光照射下將O2轉(zhuǎn)化為單線態(tài)氧(1O2)，殺傷腫瘤細(xì)胞(圖6a)。為了驗(yàn)證MCOPP-Ce6緩解腫瘤乏氧的作用，在常氧和乏氧條件下進(jìn)行了細(xì)胞死活染色，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在常氧和乏氧條件下觀察到相當(dāng)?shù)募t色，說(shuō)明MCOPP-Ce6可以緩解乏氧并增強(qiáng)PDT的治療效果(圖6b)。此外，腫瘤切片的蘇木精和伊紅(H&E)染色分析顯示，用MCOPP-Ce6加671 nm激光照射處理的小鼠觀察到明顯的腫瘤組織損傷，證明了納米酶具有協(xié)同PDT治療的效應(yīng)(圖6c)[65]。為了同時(shí)緩解腫瘤乏氧、降低GSH水平，Zeng等設(shè)計(jì)了MOFs衍生的Mn3O4-PEG@C&A納米酶，其在緩解乏氧的同時(shí)消耗細(xì)胞內(nèi)GSH，并且在NIR激光照射下實(shí)現(xiàn)了PDT，有效抑制了小鼠腫瘤的生長(zhǎng)[66]。

與天然酶類(lèi)似，納米酶也存在最優(yōu)的反應(yīng)溫度區(qū)間，但由于納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，納米酶在較高溫度下也能保持高催化活性。因此，通過(guò)PTT過(guò)程中的光熱升溫效應(yīng)可將納米酶催化反應(yīng)調(diào)整至最佳區(qū)間，提升納米酶催化活性，進(jìn)而促進(jìn)ROS產(chǎn)生并高效殺死癌細(xì)胞[67, 68]。例如，Liu等測(cè)量了NIR照射下TiN NPs的類(lèi)POD活性，證明了NIR照射引起的熱效應(yīng)可以增強(qiáng)TiN NPs的催化活性[69]。2021年，Zhu等構(gòu)建了具有優(yōu)異NIR光熱性能的錳基單原子納米酶(Mn/PSAE)，其可以利用H2O2和O2的平行催化反應(yīng)，同時(shí)生成·OH和·O2-，對(duì)腫瘤細(xì)胞顯示出濃度依賴的毒性作用。特別地，在細(xì)胞水平實(shí)驗(yàn)中，在NIR照射下，Mn/PSAE幾乎完全殺死了癌細(xì)胞，使得光熱協(xié)同催化治療成為可能(圖6d和6e)。此外，Zhu等在4T1荷瘤BALB/c小鼠上評(píng)價(jià)了Mn/PSAE在腫瘤中的光熱作用，發(fā)現(xiàn)在600 s內(nèi)小鼠腫瘤部位溫度可高達(dá)51.9 ℃，并且溫度光熱轉(zhuǎn)換效率(photothermal conversion efficiency, PCE)達(dá)到23.1%，明顯高于商用光熱試劑IR1048-MZ(20.2%)和吲哚菁綠(ICG，3.1%)，更重要的是，Mn/PSAE的酶和光熱活性協(xié)同治療使得小鼠模型的腫瘤完全根除(圖6f)[70]。考慮到PTT過(guò)高的溫度在殺死腫瘤的同時(shí)會(huì)損傷周?chē)５募?xì)胞組織。因此，Chang等首次提出了一種基于SAzyme的PTT增強(qiáng)鐵死亡的新策略。在H2O2和GSH過(guò)表達(dá)的TME中，具有類(lèi)POD和GSHOx活性的Pd單原子納米酶(Pd SAzyme)能夠高效催化產(chǎn)生ROS和消耗GSH，導(dǎo)致癌細(xì)胞中累積大量脂質(zhì)過(guò)氧化物并引起鐵死亡。此外，通過(guò)對(duì)比不同溫度下的模擬酶活性，發(fā)現(xiàn)Pd SAzyme在42 ℃下的類(lèi)POD和GSHOx活性明顯優(yōu)于37 ℃，可用于腫瘤的光熱-納米酶治療[71]。同樣，Zhu等最近報(bào)道的新型多功能銅鈷納米粒子(CuCoS NPs)不僅具有優(yōu)異的光熱效應(yīng)，相比于在室溫下的酶活性，其50 ℃下的酶反應(yīng)速率增加了3倍以上，表明CuCoS NPs具有溫度增強(qiáng)·OH的生成能力。此外，CuCoS NPs的類(lèi)GSHOx活性還能減少·OH的消耗，顯示出了顯著的抗腫瘤作用[72]。

圖6 MOFs衍生納米酶用于腫瘤協(xié)同治療：(a)MOFs衍生的多功能介孔納米酶協(xié)同光動(dòng)力治療的示意圖，(b)在常氧和乏氧條件下Ce6和MCOPP-Ce6處理后的死活細(xì)胞分析，(c)小鼠腫瘤組織的H&E染色[65]；(d)錳基單原子納米酶用于協(xié)同光熱治療的示意圖，(e)在有無(wú)過(guò)氧化氫存在下，用Mn/PSAE處理后腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞活力，(f)在有無(wú)激光存在的情況下，Mn/PSAE治療后的小鼠相對(duì)腫瘤體積：Ⅰ：PBS，Ⅱ：PBS+NIR，Ⅲ：Mn/PSAE，Ⅳ：Mn/PSAE+NIR[70]；(g)C-NFs@D納米酶協(xié)同化療的示意圖，(h)不同處理后對(duì)GSH的影響，(i)不同治療14 d后的平均腫瘤重量[77]Fig.6 MOFs-derived nanozymes for tumor synergy therapy: (a) schematic diagram of MOFs-derived multifunctional mesoporous nanozyme combined with photodynamic therapy, (b) live/dead cell assay for cells treated with Ce6 and MCOPP-Ce6 under normoxic and hypoxic conditions, (c) H&E staining of mice tumor tissue[65]; (d) schematic diagram of Mn-based single-atom nanozyme combined with photothermal therapy, (e) cell viability of tumor cells treated with Mn/PSAE in the presence or absence of H2O2,(f) relative tumor volume in mice treated with Mn/PSAE in the presence or absence of laser, Ⅰ: PBS, Ⅱ: PBS+NIR, Ⅲ: Mn/PSAE, Ⅳ: Mn/PSAE+NIR[70]; (g) schematic diagram of synergistic C-NFs@D nanozymes combined with chemotherapy, (h) effects of different treatments on GSH, (i) average tumor weights after 14 days of different treatments[77]

考慮到NIR觸發(fā)的PTT與PDT聯(lián)合協(xié)同治療具有“1+1>2”的治療效果，Yang等利用原位還原法將超小Pt納米酶固定在MOFs衍生的碳納米酶中，用于小鼠結(jié)腸癌的PDT/PTT協(xié)同治療，抑瘤率超過(guò)90%[73]。Jiang等將光敏劑ICG負(fù)載在ZIF-67衍生的中空結(jié)構(gòu)的硫化鈷(Co3S4)中，成功制備了具有PDT/PTT效應(yīng)的Co3S4-ICG納米酶。在酸性TME中，Co3S4-ICG降解產(chǎn)生的Co2+通過(guò)類(lèi)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生高毒性的·OH，用于腫瘤治療。正如預(yù)期的結(jié)果，用NIR激光照射后，Co3S4-ICG組的小鼠腫瘤部位溫度在5 min內(nèi)升高了15.5 ℃，而對(duì)照組溫度沒(méi)有顯著的變化，說(shuō)明Co3S4-ICG可以產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)消融腫瘤。此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)用NIR激光照射時(shí)，Co3S4-ICG處理的小鼠腫瘤生長(zhǎng)持續(xù)受到抑制，這是PDT/PTT協(xié)同治療的效果[74]。

4.3 MOFs衍生納米酶協(xié)同化療

迄今為止，化療仍是臨床上常用的癌癥治療手段，但其具有嚴(yán)重的副作用。為了改善化療的毒副作用，Cao等以Ce-MOF作為前驅(qū)體進(jìn)行煅燒，制備了均勻分散的超小多孔CeO2納米酶(n-CeO2)，同時(shí)用于負(fù)載阿霉素(DOX)。由于出色的類(lèi)OXD活性和ATP剝奪能力，n-CeO2可以增強(qiáng)癌細(xì)胞的氧化損傷、減少腫瘤的能量供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)癌癥的協(xié)同治療的同時(shí)將DOX的副作用降至最低[75]。為了提高腫瘤靶向性、增強(qiáng)化療效果，Liu等在負(fù)載了DOX的單原子鐵納米酶(SAF)上包覆癌細(xì)胞膜，有效地將該納米酶靶向到腫瘤部位，提高了腫瘤抑制效率[76]。2021年，Xing等制備了一種具有獨(dú)特花狀結(jié)構(gòu)的MOFs衍生的納米酶(C-NFs)，并負(fù)載DOX(C-NFs@D)用于治療耐藥性腫瘤(圖6g)。使用耐藥性乳腺癌細(xì)胞(MCF-7ADR)作為耐藥模型，用于評(píng)估體內(nèi)外的腫瘤治療效果。同時(shí)，由于C-NFs具有類(lèi)POD活性，可以在TME中催化H2O2產(chǎn)生·OH從而誘導(dǎo)有效的氧化應(yīng)激，降低GSH水平(圖6h)和提高caspase 3的表達(dá)以及增強(qiáng)線粒體的有效損傷，進(jìn)而使細(xì)胞對(duì)化療敏感。如預(yù)期的結(jié)果，C-NFs@D組顯著抑制了腫瘤生長(zhǎng)(圖6i)，抑瘤率高達(dá)85.4%，實(shí)現(xiàn)了較好的協(xié)同治療的效果[77]。

5 結(jié) 語(yǔ)

金屬有機(jī)框架(metal-organic frameworks, MOFs)衍生納米酶因其豐富的活性位點(diǎn)、良好的孔結(jié)構(gòu)和組成的多樣性而備受關(guān)注。其中，通過(guò)金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體進(jìn)行直接碳化、氧化和合成后處理，得到的衍生物可能表現(xiàn)出特定的或者多種酶活性，促使MOFs衍生納米酶在眾多用于癌癥治療的納米酶中脫穎而出。值得注意的是，雖然近年來(lái)MOFs衍生納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了一定的成果，但其仍面臨著諸多挑戰(zhàn)：

(1)通過(guò)對(duì)MOFs的金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，可得到具有優(yōu)異催化活性的MOFs衍生納米酶。然而，目前用于制備MOFs衍生納米酶的前驅(qū)體主要還是以沸石咪唑酯骨架(zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)系列的材料為主，以其他類(lèi)型的MOFs為前驅(qū)體制備的MOFs衍生納米酶的研究仍較少，因此，開(kāi)發(fā)其它類(lèi)型的MOFs用于制備納米酶有助于更好地模擬天然酶。

(2)與傳統(tǒng)納米酶相比，MOFs衍生納米酶具有更高的酶模擬催化活性，但煅燒會(huì)導(dǎo)致MOFs顆粒的孔徑和體積變小、空間位阻變大，使得大分子底物無(wú)法進(jìn)入孔內(nèi)參與催化反應(yīng)，導(dǎo)致MOFs衍生納米酶活性仍低于天然酶。此外，研究表明，分子、納米粒子和細(xì)胞可以被MOFs礦化，導(dǎo)致分子傾向于在孔隙和框架中隨機(jī)聚集，從而有利于形成大孔隙的MOFs衍生物。因此，可以采用對(duì)MOFs進(jìn)行礦化，或者更先進(jìn)的熱解策略(如用于快速加熱的激光和等離子技術(shù))的熱解策略，設(shè)計(jì)出具有更高催化活性的納米酶。

(3)納米酶具有成本低、合成方便、可重復(fù)使用性好等優(yōu)點(diǎn)，然而如何提高M(jìn)OFs衍生納米酶的化學(xué)和生理穩(wěn)定性仍是癌癥治療中的關(guān)鍵問(wèn)題。在天然金屬蛋白酶中，微環(huán)境對(duì)穩(wěn)定蛋白構(gòu)象和活性位點(diǎn)的微環(huán)境對(duì)納米酶的催化穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此，可嘗試?yán)冒被帷⒍嚯幕蚱渌锊牧蠈?duì)MOFs衍生納米酶進(jìn)行修飾，以模擬天然金屬蛋白酶微環(huán)境，進(jìn)而提升治療過(guò)程中的納米酶催化穩(wěn)定性。

(4)盡管MOFs衍生納米酶在癌癥治療方面得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但其仍存在免疫原性、臨床毒性和藥代動(dòng)力學(xué)差等問(wèn)題。因此，對(duì)MOFs衍生納米酶在給藥后的藥代動(dòng)力學(xué)、生物降解和生理指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)研究和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而評(píng)估長(zhǎng)期毒性以便進(jìn)一步臨床轉(zhuǎn)化是未來(lái)需要關(guān)注的重點(diǎn)。