纳米酶在抗菌领域的应用研究进展.pdf
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1、262024年1月上 第01期 总第421期科技创新驱动China Science&Technology Overview0 引言近年来,一系列抗菌药物已被开发作为化学抗菌策略,如外用消毒剂、重金属离子/氧化物、季铵盐等。尽管上述方法具备克服对细菌产生耐药性机理的优势,但碘化合物等系列的外用消毒剂存在一些不良反应。例如,酸中毒、甲状腺功能亢进;重金属离子/氧化物具有广谱抗菌性,但可对特定种类的哺乳动物细胞形成毒性;季铵盐化合物具有高效的抗菌作用,但在长时间应用后也会形成耐药性。纳米酶是指一种具有酶催化活性的纳米材料,当前已成为一种极具潜力的可替代抗菌剂,涵盖了碳材料、金属材料、金属氧化物或硫化
2、物、金属配合物等,如血红素-石墨烯纳米片、金纳米粒子、磁性 Fe3O4纳米粒子、金属有机骨架(MOFs)材料等。金属与金属氧化物纳米粒子能够释放出抗菌的金属离子;抗菌组分修饰在 MOFs 表面通过特定环境刺激可控释放抗菌药物直接与细菌作用。具有类蛋白酶活力的纳米材料能够利用各种方式杀伤病菌,不同于市场常用的抗生素,纳米酶很难诱导病菌产生耐药性1。目前,不同类型的酶样活性的数百种纳米材料已被开发应用于生物医学领域,例如免疫测定、生物传感器、抗菌剂以及体内临床诊断和治疗。纳米酶不仅具备调控活性氧自由基的能力,还可以有效杀灭各种革兰氏阳性和阴性的病原细菌,及其顽固性细菌膜;具备较好的化学稳定性、生物
3、相容性、可回收再利用等优势,在提高创伤愈合能力和环保抗污方面都有着巨大的应用前景2。1 纳米酶的分类2007 年,阎锡蕴课题组最先发现 Fe3O4纳米颗粒具有天然辣根过氧化物酶(HRP)的活性,可以催化底物与双氧水的反应。随后研究人员发现还有一些纳米材料,比如富勒烯、金纳米颗粒、铁磁体纳米颗粒等也具有类天然酶的活性,这些具有天然酶活性的纳米材料被称为纳米酶。按照催化底物的不同,现有的纳米酶可分为超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、氧化酶(OXD)等。它们能消除活性物质的毒性,减小对细胞的损伤。1.1 超氧化物歧化酶细胞中的分子氧气(O2)经单电子还原产生的超氧
4、化物(O2-),在超氧化物歧化酶(SOD)的催化下可歧化为H2O2和 O2,并被清除。O1-+O2-+2H+H2O+O2 SOD 抗氧化与抗衰老方面的作用机理,主要在于去除对人体健康有害的超氧阴离子自由基(O2-),其在防治由超氧自由基(O2-)引起的疾病,如氧中毒、急性炎症、辐照病、免疫性疾病等有特殊疗效,是一种有市场前景的新型药用酶3。1.2 过氧化氢酶过氧化氢能穿透大部分细胞膜,并与细胞中的铁发生收稿日期:2023-05-30*基金项目:云南省科协德宏师范高等专科学校专家工作站(SX2020-15);德宏州创新团队(2021RC0011);德宏州中青年学术和技术带头人(2021RC002
5、);德宏师范高等专科学校校级课题(202101)经费资助;德宏师专专家服务站(SX2022-15);云南省教育厅科学研究基金项目“多级孔的磁性金属有机框架复合材料的构筑及其蛋白质分离”(2019J1002)作者简介:杨丽(1993),女,云南保山人,助教,研究方向:化学。通讯作者:杨琦(1990),女,云南保山人,博士研究生,副教授,研究方向:化学。纳米酶在抗菌领域的应用研究进展*杨丽夏雪芬杨金燕杨一璐杨琦(德宏师范高等专科学校,云南德宏 678400)摘要:自 19 世纪初期,微生物感染每年影响了几百万人,受到全球各地的普遍重视,已成为全球重要的公共卫生问题。抗生素是一种高效的抗菌方法,但是
6、滥用会造成微生物抗性增强,从而降低治疗效果,导致高死亡率,严重威胁国民健康和社会经济发展。面对日益增长的致病菌威胁,除了开发新型抗菌药物策略,材料科学和纳米技术也显示出在生物医学中应对微生物感染的巨大潜力。活性氧物质(ROS)是生物有氧代谢过程中的一类副产物,通常具有很强的氧化性,在细胞信号传导和保持机体稳定性方面起着重要作用。生物体内的高含量 ROS 会引起氧化应激。而氧化应激又与衰老、糖尿病、心血管疾病、炎症性疾病、癌症等多种疾病有关。纳米酶具有调控 ROS 的能力,可以高效杀死多种革兰氏阳性和阴性致病菌。此外,纳米酶兼备纳米材料特有的物理化学性质和易调控的类酶催化活性,具有经济、稳定、可
7、控、易大批量生产的优势,可以利用其类酶催化活性发挥抗菌效果。基于此,论述纳米酶的分类以及功能化纳米材料用于抗菌治疗的展望。关键词:纳米酶;类过氧化物纳米酶;H2O2;ROS;功能化纳米酶;协同抗菌治疗中图分类号:TB383.1 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2024)01-0026-03272024年1月上 第01期 总第421期科技创新驱动China Science&Technology Overview化学反应,形成羟基自由基。与无法穿透细胞膜的超氧阴离子自由基比较,过氧化氢酶对细胞的毒性更强。过氧化氢酶(CAT)是抗氧化酵素体系的关键组成部分,也称为触酶,即以铁卟啉为辅基
8、的结合酶。过氧化氢酶通过催化H2O2分解为 H2O 与 O2,避免其与 O2在铁螯合物作用下反应生成有害的羟基自由基。2H2O2=O2+2H2O 过氧化物酶在酸性条件下可催化双氧水,产生羟基自由基。过氧化物酶作为一种氧化还原酶,是一种通过 H2O2为电子受体进一步催化底物氧化的酶,可以通过催化 H2O2直接将酚类或胺类化合物氧化4,例如具有清除过氧化氢和酚类及胺类毒性双重作用的谷胱甘肽过氧化物酶。Au NPs 被发现具有本征的类 CAT 催化活性,当纳米粒子修饰了环糊精后,可见光下,纳米酶的催化活性被阻碍,当紫外光照射时,可以再次激发类 CAT 催化活性,从而可以通过紫外光作为开关循环控制类酶
9、的催化活性,实现了可逆控制细胞内的活性氧(ROS)水平5。1.3 过氧化物酶过氧化物酶(Peroxidase,POD)是通过催化过氧化物(如 H2O2)氧化底物的一类酶。常见的过氧化物酶有辣根过氧化物酶(HRP),细胞色素 c 过氧化物酶和链霉抗生物素蛋白过氧化物酶,已被广泛应用于生物分析和化学诊疗等领域。截至目前,大量的纳米材料被证明具有本征的类过氧化物酶活性,从金属、金属氧化物、金属硫化物、金属配合物(如普鲁士蓝、有机金属框架 MOFs 等)到碳基纳米材料,它们在生物传感和免疫分析领域具有广泛的应用价值。类过氧化物酶已经成长为一个大家族,吸引了越来越多研究者的关注。过氧化物酶酸性条件下可催
10、化双氧水产生羟基自由基,在分析化学中常用的显色底物有四甲基联苯胺(TMB)、2,2-联氮-二(3,乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)和邻苯二胺(OPD)等,通过对底物的分析实现对双氧水的检测,检测限低至 0.15m6。此外,葡萄糖生物传感器因为在生物医学、临床研究、食品生产,甚至在生态学中具有重要应用价值,一直以来广受社会关注。由于葡萄糖氧化酶(GOx)可以在氧气存在情况下,催化葡萄糖氧化产生葡萄糖酸内酯和 H2O2,结合 GOx 和类过氧化物酶可以很容易地构建葡萄糖生物传感器。此外,H2O2也是其他氧化酶(乳酸氧化酶 LOx、胆固醇氧化酶 COx、尿酸氧化酶 UOx 等)的催化产物
11、,相似的策略可以用来检测相对应的底物。1.4 氧化酶氧化酶(Oxidase,OXD)在酸性条件下可以直接催化氧气产生自由基。如 Au NPs 具有类氧化酶的催化活性,已被证明可以催化葡萄糖氧化,被广泛应用于检测葡萄糖的级联反应中7。通过将 HAuCl4渗入到多孔的 AuAgICPs 核壳纳米结构中,合成了新型的三维纳米组装的贵金属纳米粒子-配位聚合物(ICPs)8。该三维纳米组装材料具有本征的类氧化酶催化活性,可以用于亚甲基蓝的降解,而无需 H2O2的帮助,该纳米酶可以用于废水中污染物的处理。2 纳米酶在抗菌方面的应用过氧化氢(H2O2)作为一种常用的高活性氧,已被广泛被应用于防治由各种病原性
12、微生物引起的感染。然而,超高用量的 H2O2会对正常组织产生不必要的损伤,从而延迟了创伤的痊愈。近年来,具有酶性质的纳米材料可有效提高 H2O2的抗菌性能,同时避免了高浓度 H2O2带来的副作用,已成为拥有市场前景的抗菌剂。另外,提高纳米材料的类过氧化物酶活性是增强其抗菌特性的有效途径。比如,目前正在研究的超薄二维金属有机框架(2D MOF)杂化纳米酶,由于金纳米粒子和 2D MOFs 之间的协同效应,该纳米酶展现了优异的类过氧化物酶活性,可催化低含量 H2O2有效产生具有细胞毒性的羟基自由基,并加速体外抗菌效率和体内伤口愈合9。抗菌UsAuNPs/MOFs复合物的制备及其类POD活性示意图1
13、0MnO2被证明同时具有类 SOD 和类 CAT 的催化性质,Qu 等通过生物友好的 Mn 矿化,在酵母细胞表面成功包覆了一层 MnO2外壳11。由于双重纳米酶的保护作用,可以将环境中超氧自由基分解为 H2O2,再将 H2O2分解为生物无害的 O2和 H2O。纳米酶保护壳可以保护细胞免受物理刺激和一些有毒化学品侵害,延长了细胞的生长周期。3 展望近年来,纳米酶迅速发展,但未来仍面临着巨大的挑战。大多数的纳米酶很难像生物酶一样对明确的底物具有专一性,提高纳米酶的特异性将是未来非常棘手的一项挑战。由于纳米材料具有可控性与多样性,纳米酶活性具有可调节性,能够通过控制纳米酶的尺寸大小、结构组成、表面形
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