近日，中國科學院合肥物質院強磁場中心王輝研究員與張欣研究員課題組合作，依托穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）核磁共振和電子順磁共振，基于課題組發現的“溶劑自碳化-還原”策略，制備出一種新型的軸向氧原子調控的Fe-N4納米酶（O-Fe-N4），可用于非刺激、乏氧條件下的單線態氧（1O2）介導的腫瘤催化治療，相關成果發表在國際期刊《先進科學》（Advanced Science）上。
1O2介導的腫瘤治療面臨諸多挑戰，包括低效、有創的外部刺激，乏氧的腫瘤微環境以及其內部過表達的氧化還原物質，這些都極大地限制了治療效率。Russell型催化治療提供了一種不依賴O2的方法來敏化1O2的生成，并避免了與外源刺激相關的正常組織損傷。迄今為止，僅有銅（Cu）基和鉬（Mo）基材料被開發用于Russell型催化治療，而其他金屬或非金屬材料則具有Russell反應惰性。
基于上述情況，聯合研究團隊采用有機溶劑自碳化還原策略，通過材料表界面維納調控技術，制備了軸向O原子工程化的Fe-N4納米酶（O-Fe-N4），該納米酶在不引入外部能量的情況下，能夠通過Russell反應將過氧化氫（H2O2）轉化為1O2。
O-Fe-N4納米酶具有兩種相互關聯的催化特性：類谷胱甘肽氧化酶活性為隨后的1O2生成提供了底物，從而有效避免了谷胱甘肽可能對抗癌功效的負面影響。O-Fe-N4在pH 6.2時表現出79.58 U mg-1的比酶活值，優于大多數已報道的Fe-N4催化劑。
在理論研究中，密度泛函理論（DFT）計算表明，軸向O原子可以有效調節Fe和N之間的相對位置和電子親和力，降低活化能，增強選擇性，從而促進Russell反應發生。
在實驗驗證方面，SHMFF核磁共振及電子順磁共振的結果有力地支持了O-Fe-N4納米酶的獨特結構和其優異的酶活性。這種明確的Fe-N/O結構產生的酶活性可以有效下調谷胱甘肽過氧化物酶-4活性，并誘導脂質過氧化過程，從而抑制腫瘤增殖。
這一發現不僅突破了1O2介導的癌癥治療的局限，而且為提升Fe-N4催化劑的性能樹立了典范，引領了催化劑設計與優化的新方向。
該研究工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省杰出青年科學基金、國家博士后創新人才支持計劃、中國博士后科學基金等項目的資助。