载酶纳米催化体系用于疾病诊疗的研究进展

doi:10.7503/cjcu20220640

摘要/Abstract

摘要：

酶作为一种具有高度特异性和高效性的催化剂, 可在细胞器中通过复杂有序的生化反应调节细胞的代谢过程. 受细胞区隔化结构的启发, 仿生设计纳米酶催化体系、构筑限域酶催化微环境从而提高酶催化活性的研究为酶催化应用开辟了新思路. 纳米催化体系保留了小尺寸、大比表面积、肿瘤部位选择性富集等优势, 在疾病的诊疗方面发挥了巨大的优势. 本文首先总结了天然酶、模拟酶和级联酶体系的催化机理, 对仿生构筑的纳米酶催化材料的载体体系进行了概述, 介绍了纳米酶催化体系在生物成像方面的应用, 讨论了其在相关代谢类疾病的作用途径, 并对纳米酶催化体系用于生物诊疗的发展前景进行了展望.

关键词: 酶催化, 纳米酶, 生物成像, 疾病诊疗

Abstract:

Enzymes are highly specific and efficient catalysts that regulate cellular metabolic processes through complex and sequential biochemical reactions in the organelle. Inspired by cellular compartmentalization structures， the bionic design of nano-enzyme catalytic systems was studied to construct a structural domain-constrained enzyme catalytic microenvironments to effectively remove the substrate diffusion barriers and improve the catalytic activity of enzyme， which opened up new ideas for catalytic applications of enzymes. In addition， the small size， large specific surface area， and the electron paramagnetic resonance（EPR） effect at the tumor site make nanocatalytic systems a great advantages in the treatment of diseases. This paper firstly outlines the progress of the research on bio-nanostructured nanoenzyme catalytic systems in disease diagnosis and treatment， followed by a detailed review of the catalytic mechanisms of natural enzymes， mimetic enzymes， and cascade enzyme systems. The application of nanoenzyme catalytic systems in bioimaging and their pathways of action in related metabolic diseases were introduced. Finally， the outlook on the development of nanoenzyme catalytic systems for bio diagnosis and treatment was proposed.

Key words: Enzyme catalysis, Nanoenzyme, Bioimaging, Disease diagnosis and treatment

中图分类号:

O629.8

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 Catalytic mechanisms of four typical natural enzymesThe catalytic mechanisms of HRP（A）［17］， Mn-based SOD（B）［32］， GO x （C）［35］ and UOX（D）［36］.（A） Copyright 2018， Wiley-VCH-GmbH；（B） Copyright 2009， American Chemical Society；（C） Copyright 2006， American Chemical Society；（D） Copyright 2014， Wiley-VCH-GmbH.

Fig.2 Suggested catalytic mechanisms of some enzyme mimics（A） Proposed catalytic mechanism for Fe［Gly］2［57］；（B） EPR spectrum of the Fe［Lys］2/H2O2 system［60］；（C） the process to fabricate Fe［Lys］2［60］；（D） the presumed catalytic mechanism of Fe［Gly］2’s SOD-like and POD-like activities［59］.（A） Copyright 2021， Wiley-VCH-GmbH；（B， C） Copyright 2021， Spring Nature；（D） Copyright 2014， Wiley-VCH-GmbH.

Fig.3 Schematic representation of a few cascade of enzymatic systemsThe cascade enzymatic system of GO x -HRP（A）［17］， LO x -HRP（B）［64］， SOD-CAT（C）［65］， SOD-CPO（D）［66］ and GO x -CPO（E）［67］.（A） Copyright 2018， Wiley-VCH-GmbH；（B） Copyright 2022， American Chemical Society；（C） Copyright 2015， American Chemical Society；（D） Copyright 2019， Spring Nature；（E） Copyright 2019， Elservier.

Fig.4 Some approaches to immobilizing enzymes（A） Enzyme-loaded Fe3O4［78］；（B） enzyme-loaded MOF［61］；（C） nanogel serves as enzyme mimics［59］；（D） enzyme-loaded nanogel［87］.（A） Copyright 2021， American Chemical Society；（B） Copyright 2022， Springer Nature；（C） Copyright 2020， Wiley-VCH-GmbH；（D） Copyright 2019， Wiley-VCH-GmbH.

Fig.5 Schematic diagram of ultrasound imaging（A） The demonstration of ultrasound imaging for damage detection［100］；（B） after intravenous injection of SGC， the corresponding average gray values of tumors increases［65］；（C） prussian blue nanoparticles for ultrasound imaging［101］.（A） Copyright 2017， Wiley-VCH-GmbH；（B） Copyright 2015， American Chemical Society；（C） Copyright 2012， Wiley-VCH-GmbH.

Fig.6 Schematic illustration of enzyme complex for photoacoustic imaging（A） Gd@HRPABTS for PAI［111］；（B） illustration of the enzymatic synthesis of PANI-ES@AOT for PAI［113］；（C） in situ-generated O2 bubbles serve as the signal amplifier［117］.（A） Copyright 2018， American Chemical Society；（B） Copyright 2020， Wiley-VCH-GmbH；（C） Copyright 2022， Wiley-VCH-GmbH.

Fig.7 Nanocatalytic systems for MRI（A） Adding xanthine oxidase result in significant changes in the MRI contrast［123］；（B） the coordination environment of Gd（III） changes［133］.（A） Copyright 2022， American Chemical Society；（B） Copyright 2018， American Chemical Society.

Fig.8 Enzyme⁃load nanocatalytic systems for cancer therapySchematic illustration of starvation therapy and PTT（A）［140］， starvation therapy and CDT（B）［139］， PDT/CDT（C）［150］ and EDT（D， E）［66，87］.（A） Copyright 2019， Wiley-VCH-GmbH；（B） Copyright 2018， Wiley-VCH-GmbH；（C） Copyright 2021， the author（s）；（D） Copyright 2019， the author（s）；（E） Copyright 2020， Wiley-VCH-GmbH.

Fig.9 Enzyme⁃load nanocatalytic systems for chronic diseases treatment（A） Schematic illustration of enzyme-load nanocatalytic systems’ application in acute gout therapy［157］；（B） schematic illustration of protection for cardiovascular injury［168］；（C） schematic illustration of prevention of acute kidney injury［174］. （A） Copyright 2022， American Chemical Society；（B， C） Copyright 2020， American Chemical Society.

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