國家納米中心提出納米材料醫學功能預測的理論模型

中國科學院國家納米科學中心研究員高興發和中國科學院院士趙宇亮團隊，通過多年的基礎理論研究與迭代，在納米生物效應的理論研究領域取得了系統的突破性進展。8月17日，相關研究成果以《實現納米材料醫學功能篩選的催化信號轉導理論》（Catalytic Signal Transduction Theory Enabled Virtual Screening of Nanomaterials for Medical Functions）為題，在線發表在Accounts of Chemical Research上。

在經典藥學教科書中，無機材料成藥性低，一直是公開問題。然而，無機納米材料由于可在細胞內催化活性氧物種發生不同化學反應，賦予了其多種難得的生物醫學功能，近年被廣泛用于抗腫瘤、抗菌和抗氧化等無機納米藥物的創新研發。無機材料具有多個顯著特點如化學組成豐富、晶體結構豐富、具有可調的光電磁性能、可進行豐富的化學修飾，因而有望克服傳統小分子藥物靶向性低、功能單一等缺點。因此，相關研究已成為化學、材料、藥學和醫學等多學科交叉的前沿。然而，納米顆粒的精確結構表征困難、細胞內動態反應機制缺乏有效實驗觀測手段等因素導致微觀機制和構效關系的研究頗為困難。因此，建立有效的理論模型，實現納米材料的醫學功能的理論預測，已成為理論創新研究工作的挑戰。

高興發課題組經過多年研究，提出了“催化信號轉導理論”，在無機納米材料細胞內催化性質和醫學功能之間的關系建立了創新的理論模型，且無機納米材料抗腫瘤功能的理論預測結果得到了實驗研究的驗證。主要成果包括：運用第一性原理計算與理論分析方法，揭示了納米材料通過異相催化驅動活性氧轉化，調控細胞氧化還原水平從而誘導腫瘤細胞死亡的固液異相催化機制，打破了領域內沿用酶和離子催化機制解釋細胞內納米生物催化現象的瓶頸；突破經典擬合公式無法前瞻性預測的局限性，建立了基于上述催化機制，以無機納米材料內稟理化性質為參量，定量描述其催化活性氧轉化的動力學方程和預測模型體系；提出了催化信號轉導理論，確立了無機納米材料催化性質與抗腫瘤功能間的機制聯系與定量關系，并將催化理論模型與機器學習結合，為無機納米材料抗腫瘤功能的計算機輔助設計與高通量篩選提供了創新的新策略。

體外化學反應和生命活動的底層邏輯不同。體外化學反應遵循分子熱運動的統計規律，而原初生命活動則是通過信號轉導存儲、放大、表達及繁殖基因信息等原理。該研究提出的“催化信號轉導理論”有機融合了化學反應和生命過程的原理，不僅能描述無機納米材料催化反應導致的抗腫瘤醫學功能，而且能進一步將納米尺度下的信號轉導理論發展成為描述和預測納米材料生物學效應（如免疫效應、毒理學效應等）的通用理論模型。

研究工作得到國家自然科學基金委員會和國家納米中心等的支持。

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