納米酶是一類具有類酶催化性能的納米材料,是新一代人工酶,在生物醫學領域頗具應用前景。自2007年首次發現四氧化三鐵(Fe3O4)納米顆粒具有類過氧化物酶活性以來,鐵基納米酶在腫瘤催化治療和抗菌等方面備受關注。然而,由于鐵原子的利用率較低,納米氧化鐵的催化效率往往低于天然酶(如辣根過氧化物酶,HRP)。為了提高鐵原子的利用率,科學家引入單原子設計用于構筑更加精確的活性位點,通過模擬天然酶的鐵卟啉配位結構,提高了鐵的催化效率和納米酶的活力。例如,在鐵單原子納米酶中構建諸如FeN4、FeN5或FeN3P等活性位點,其催化效率和動力學可與天然酶媲美。然而,以鐵鹽作為鐵源與碳氮化物配位,或在金屬-有機框架(MOFs)中取代金屬,再進行熱解碳化的合成方法,除了形成單原子鐵外,還會形成較多的鐵團簇或鐵單質,且并非完全處于單原子狀態。這種不可控的鐵原子狀態影響納米酶的類酶活性,并使得精確評估其催化效率變得困難。
中國科學院生物物理研究所高利增研究組提出了紅細胞模板化策略,以其豐富的血紅蛋白作為鐵源制備鐵單原子納米酶。這一策略基本理念是改造紅細胞內源鐵模擬辣根過氧化物酶(HRP)的催化活性中心,由運輸氧功能轉化為催化功能。每個紅細胞含有約2.6億個血紅蛋白,每個血紅蛋白含有4個包含鐵原子的環狀血紅素,這使它們成為單原子鐵的理想來源,用以制備模擬HRP活性的納米酶。
為了證明這一假設,該研究將細胞固定、鹽化和熱解碳化等過程相結合,以紅細胞作為模板,合成了具有均勻單原子Fe的納米酶。如圖所示,這種紅細胞模板納米酶(Erythrocyte-templated nanozymes,ETN)表現出類過氧化物酶(POD)活性,催化H2O2產生羥基自由基(·OH),并可以通過近紅外(NIR)光照射進一步增強。此外,制備的ETN呈蜂窩狀結構,可作為納米海綿促進血液凝固。這些特性使ETN成為多功能材料,可促進感染傷口的愈合。
相關研究成果以An Erythrocyte-Templated Iron Single-Atom Nanozyme for Wound Healing為題,在線發表在Advanced Science上。該研究由生物物理所和北京交通大學合作完成。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。
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