英国贝尔法斯特女王大学综述:金纳米酶–从概念到生物医学应用

Gold Nanozymes: From Concept to Biomedical Applications

Javier Lou‑Franco, Bhaskar Das, Christopher Elliott, Cuong Cao*

Nano-Micro Lett.(2021)13:10

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00532-z

本文亮点

1金纳米材料模拟酶活性的能力为生物医学领域的诊断和治疗提供了新的途径。

2. 控制纳米材料的物理化学性质(尺寸、形貌和表面化学)仍然是实际应用的第一个障碍。

3. 目前,诊断领域中的大量体外应用已成为现实,而体内应用如肿瘤治疗或细胞内ROS水平控制则需要进一步控制副作用。

内容简介

近年来的研究发现,金纳米粒子表现出优异的模拟酶活性,类似于过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶或还原酶。与生物酶相比,这种酶具有合成容易、可调性好、生物相容性好、成本低等优点,在生物医学或生化分析中具有很好的应用前景。贝尔法斯特女王大学Cuong Cao等在本文中系统地综述了200多篇关于金纳米酶的基本原理及其潜在应用的研究进展。综述表明,纳米颗粒的形貌和表面化学性质对其催化性能以及pH值和温度等外部参数起着重要作用。然而,实际应用往往需要将特定的生物识别元件固定在纳米酶上,从而对其活性产生意想不到的积极或消极影响。因此,合理设计高效的纳米酶仍然是一个至关重要的挑战。已经探索了不同的实现途径,包括将类过氧化物酶纳米酶应用于临床诊断或通过其过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性调节细胞内的氧化应激。综述还表明,必须了解外部参数如何促进或抑制这些活动中的每一项,因为其中不止一项可能共存。同样,需要进一步的毒性研究,以确保金纳米酶在体内的适用性。综述了金纳米酶的研究现状和发展前景,指出金纳米酶在食品安全、环境分析、化工等生物医学领域的重要意义。

图文导读

I 金纳米颗粒(AuNPs)简介
金纳米颗粒(AuNPs)的光学、电学、磁性、催化、超分子、生物毒性和生物共轭以及局域表面等离子体共振(LSPR)等性质取决于金纳米颗粒的大小、形状和表面化学性质。因此,控制这些参数对于开发基于AuNP的化学和生物传感器至关重要。金纳米结构的合成和制备有两种方法:自下而上和自上而下。前者涉及化学合成、自组装或分子制造等技术,这些技术涉及金原子的成核及其从分子前体生长成胶体金纳米粒子。后者指的是诸如光刻微图案、热解和研磨等方法。目前,自下而上的方法已被广泛探索,以产生具有各种尺寸和形状的AUNP,如球体、杆、立方体、棱镜、恒星、笼、多边形和许多其他的形状。
图1. 采用自下而上的方法合成具有不同形状的AuNP。(a) 球,(b) 棒,(c) 棱镜,(d) 双锥,(e) 星,(f) 立方体,(g) 多边形纳米晶体, (h) 笼,(i) 金@二氧化硅杂化纳米颗粒。
II 金纳米颗粒的催化性质

金纳米粒子具有多种催化活性,如氧化酶、葡萄糖氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶“SOD”和还原酶催化活性。这些发现导致了“纳米酶”一词的出现。纳米颗粒的尺寸、形貌、表面化学或表面功能层都会强烈影响催化活性,一些外部参数如周围介质的pH值或温度也会影响金纳米颗粒的催化活性。

图2. 不同粒径和形状AuNPs催化效率的比较。(a) 不同粒径AuNPs催化resazurin还原为resorufin的动力学研究。它显示了NP大小如何影响表面重构率与催化产物形成(左上)和产物离解(右上)的转化率的关系,以及NP大小与活化能(左下)和自发动态表面重构率(右下)的关系,(b) 比较不同形状和大小的AuNP对类过氧化物酶活性的催化效率。HRP,它们的生物学对应物,也包括在图表中。
图3. AuNPs不同催化活性对pH和温度的依赖性。(a) 涂有不同浓度相同肽(左侧高3倍)的AUNP对温度和pH变化的反应不同,因为它们具有类似过氧化物酶的氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)的能力,(b) 金纳米粒子在碱性条件下吸附于金表面,表现出不同的H₂O₂分解途径,(c) 用于稳定AuNPs的热敏性聚合物层可能经历结构变化,从而阻止纳米材料的催化活性状态,(d) “开/关”纳米酶通过温度和pH值变化进行控制,从而通过AuNP表面聚合物链之间的氢键形成笼状结构。
图4. (a) 总结了主要应用于生物医学领域的AuNPs的不同催化活性。(b) 用一个代表性的例子来描述这些活动。
III 金纳米酶的生物医学应用
金纳米材料已被证明在生物医学领域有广泛的应用,例如光热治疗、药物递送载体、细胞或体内成像。在生物医学中最成功的应用是将AuNPs作为可见光指示剂用于横向流动分析,即用于妊娠试验的基础技术。随着许多纳米酶特性的发现,导致了迄今为止尚未探索的广泛的生物医学应用。

3.1 生物传感和生物传感器的发展:临床诊断学

AuNPs具有的过氧化物酶模拟活性使其被用作能够产生色度信号的信号传感器。目前,金纳米材料主要用于氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB,一种由辣根过氧化物酶HRP催化的底物,广泛用于免疫分析)。由于易于用特定配体进行表面修饰,金纳米材料可用于开发针对不同靶点的诊断工具,如病毒、外显子体、红细胞、氨基酸甚至离子。除有色产物外,金纳米酶还可以催化不同底物转化为荧光、发光或拉曼活性产物;一些系统利用反应中产生的电子来开发电化学传感器。

图5. 用作临床诊断工具的AuNPs的过氧化物酶样活性。(a) 生长在石墨烯片上的AuNP用于开发“开-关”色度传感器。(b) 纳米金/碳纳米管杂化技术用于流感病毒的比色检测。(c) 用于麻疹病毒检测的棒状金铂核/壳纳米粒子。(d) 纳米磁性微球与金纳米粒子联用分离检测流感病毒。(e) 方便用户的尿样血红蛋白和红细胞检测设备。(f) 载金纳米多孔氧化铁纳米粒用于直接外体检测。

3.2 ROS产生

AuNP能够穿透细胞和细胞隔室,并通过氧化应激引起细胞毒性(坏死)。因此,具有模拟过氧化物酶活性的纳米酶可以催化过氧化氢分解并产生活性氧。诱导毒性主要用于肿瘤治疗,通过光动力疗法(PDT)增强其催化性能。

图6. 应用于肿瘤治疗的金纳米酶。(a) 过氧化物酶样活性与光动力和光热疗法相结合,用于肿瘤成像和局部治疗。(b) 在将NPs引导至相应的组织后,各种酶活性结合在一起在细胞内产生ROS。

3.3 细胞保护

AuNPs也可以用于ROS的保护作用。AuNPs的纳米酶活性可以根据纳米粒子的表面化学性质或所处的微环境进行调节。

图7. 金纳米酶催化性能的pH依赖性表明H₂O₂有两种分解途径。酸性介质促进H₂O₂分解为两个羟基自由基(类过氧化物酶活性),而中性pH介质将其分解为H₂O和O₂(类过氧化氢酶活性)。

图8. 金纳米酶用作细胞保护的活性氧清除剂。(a) 胺封端树状大分子包埋的AUNC的过氧化氢酶样活性,用于保护神经元免受氧化损伤。(b) 光介导的载AuNPs介孔NP对ROS水平的可逆调节。
IV 金纳米酶的其他应用
AuNPs的催化性质可应用于具有工业或科学意义的不同生物过程,用于氧化氨基酸、切割RNA、诱导Fenton反应,甚至催化对映选择性反应。AuNPs除了其在生物学上的应用,也可广泛应用于其它领域:1)环境应用:这一类的大多数应用都与检测环境水中有毒污染物的诊断工具有关;2)食品安全方面:食品中的污染物种类繁多,包括微生物、杀虫剂、抗生素或毒素等。一些基于金纳米酶的传感器已经针对微生物污染物开发出来;3)其它应用:金纳米颗粒除了应用诊断和治疗外,在建立人工生化模型或实施化学催化等也有重要作用。
图9. 金纳米酶比色传感器检测海水中Hg²⁺离子。
图10. 利用金纳米酶的比色传感器检测食品腐败或人类疾病的蛋白水解生物标志物。
图11. 细胞膜工程应用被用于(a) 健康状况的诊断或者(b) 模拟人工合成物中产生ATP的生物机制。
图12. 传统的纳米酶定义结合了金纳米粒子和金属离子作为催化剂。(a) AuNP结合单分子膜络合Cd²⁺和Cu²⁺离子对HPNP的催化裂解。(b) Ru催化剂嵌入AuNPs保护层。
作者简介

Cuong Cao

本文通讯作者

Queen’s University of Belfast

主要研究领域

1. 使用自上而下和自下而上的方法合成和制备光学活性材料,以提供用于生物传感的高质量等离激元纳米材料。2. 基于纳米等离子体的生物传感平台的开发,包括但不限于SPR,LSPR,SERS和基于粒子的检测。3. 发展即时分析:将分子诊断技术和纳米等离子体换能器整合并转移到紧凑的单芯片实验室格式中。

主要研究成果

迄今为止在Advanced Materials, ACS Nano, Small, Biosensors and Bioelectronics, Water Research, Lab on a Chip等国际知名学术期刊上发表36篇论文。h-index:18。

Email: c.cao@qub.ac.uk

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撰稿:《纳微快报》编辑部

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