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碳基纳米酶在疾病治疗及预防中的应用

刘美楣 ,  宋诗瑶 ,  屈至晗 ,  赵碧瑶 ,  张润坤 ,  霍志铭

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (10) :1540-1554

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化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (10) :1540-1554 DOI: 10.7536/PC20250306
综述与评论
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碳基纳米酶在疾病治疗及预防中的应用

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Application of Carbon-based Nanozymes in Disease Treatment and Prevention

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摘要

碳基纳米模拟酶(CNEs)作为新一代仿生类酶催化材料,凭借其过氧化物酶/氧化酶等多酶活性特征,在检测分析、环境修复及生物医学领域展现出重要应用价值。相较于天然酶,CNEs具备制备便捷、成本低廉、稳定性优异等优势,且催化活性还可通过结构调控实现精准适配,因而被视为极具潜力的酶替代材料。基于近五年的研究进展,本文梳理了CNEs的构效关系,阐明其活性位点分布与电子结构对催化性能的调控机制。探讨了杂原子掺杂、二次化学改性及环境影响因素等策略对CNEs酶活性的影响,归纳了酶活性增强/改性的有效路径。进一步结合酶活性特异性,综述了其在疾病靶向治疗与预防干预中的应用案例。文末对CNEs提出了新型结构设计与智能响应体系构建的未来研究展望,旨在拓展其在精准医疗和公共卫生领域的应用边界,为解决全球性健康问题提供创新思路与策略。

Abstract

As a new generation of biomimetic enzyme catalytic materials, carbon-based nano-mimetic enzymes (CNEs) demonstrate significant value in the fields of sample analysis, environmental remediation and biomedicine, which is due to their multi-enzyme activity characteristics, such as peroxidase/oxidase. Compared with natural enzymes, CNEs exhibit advantages such as facile preparation, low cost, excellent stability, and, more importantly, the tailorable catalytic activity through structural modulation. These merits make them a promising next-generation alternative to the enzyme. Based on recent research progress over the past five years, this review summarizes the relationship between structural and catalytic activity from CNEs and elucidates the regulatory mechanism of their active site distribution and electronic structure on catalytic performance. It also discussed the strategies of heteroatom doping, secondary chemical modification, and environmental optimization factors for the influence on CNEs’ enzyme activity, and pointed out the effective enhancement approaches among them. Moreover, the application cases of enzyme-targeted therapy and preventive intervention in disease are reviewed. At the end of this paper, the future research prospect of new structural design and intelligent response system construction of CNEs is proposed, aiming to expand the application boundary of CNEs in the field of precision medicine and public health, and provide innovative ideas and strategies for solving global health problems. Finally, prospects for CNEs are proposed, focusing on novel structural designs and intelligent responsive system development. Hopefully, we can expand CNEs’ applications in precision medicine and public health domains, thereby providing innovative solutions for addressing global health challenges.

Contents

1 Introduction

2 Classification of structure and activity of carbon-based nanozymes

2.1 Carbon nano-spheres enzyme

2.2 Carbon nanotubes enzyme

2.3 Carbon quantum dot enzymes

2.4 Porous organic frameworks

2.5 Single-atom carbon-based nanozymes

2.6 Other

3 The influent factors the catalytic activity of carbon-based nanozymes

3.1 Heteroatom doping

3.2 Secondary chemical modification

3.3 Environmental condition control

4 Biomedicine application of carbon-based nanozymes

4.1 Small molecule screening

4.2 Regulates oxidative stress

4.3 Antimicrobial therapy

4.4 Oncology treatment

5 Conclusion and prospects

Graphical abstract

关键词

碳基纳米酶 / 酶结构 / 类酶活性调控 / 疾病治疗及预防

Key words

carbon-based nanozymes / enzyme structure / regulation of enzyme-like activity / disease treatment and prevention

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刘美楣, 宋诗瑶, 屈至晗, 赵碧瑶, 张润坤, 霍志铭. 碳基纳米酶在疾病治疗及预防中的应用[J]. 化学进展, 2025, 37(10): 1540-1554 DOI:10.7536/PC20250306
Meimei Liu, Shiyao Song, Zhihan Qu, Biyao Zhao, Runkun Zhang, Zhiming Huo. Application of Carbon-based Nanozymes in Disease Treatment and Prevention[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(10): 1540-1554 DOI:10.7536/PC20250306

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1 引言

人造纳米酶是具有模拟酶性质的新兴纳米材料,相较于天然酶有稳定性高、成本低、适用范围广等优势,近年来发展迅速。自2007年Gao等[1]首次报道了Fe3O4纳米颗粒的类过氧化物酶(POD)活性后,各种金属基纳米酶如单金属纳米酶[2]、金属复合物纳米酶[3]和金属氧化物纳米酶[4]呈现出百花齐放的蓬勃发展态势。尽管这些金属基纳米酶催化性能优异,但金属元素对生物体具有毒性,大量使用会对生态环境构成风险。因此,研究人员开始寻求安全环保的替代品,以减少人造纳米酶的使用对环境和人体健康的潜在威胁。在此背景下,碳基纳米酶(Carbon-based nano-zymes, CNEs)因其卓越的生物相容性和环境友好性脱颖而出。常见CNEs以碳为核心,包括碳纳米球[5]、碳纳米管[6]和碳量子点[7]及多孔有机框架类[8]等,一般具有低毒性、良好生物相容性和降解性。此外,CNEs在生物传感领域具有高灵敏度和选择性,可用于检测生物标记物,进行疾病早期诊断[9]和治疗[10];部分CNEs展现出与天然酶相媲美甚至更高的催化效率[11],还可通过化学修饰获得不同功能如光热转换[12-13],在疾病治疗应用中具有巨大潜力。随着研究深入,CNEs在临床治疗中的应用潜力逐渐显现,未来可能成为一种常规医疗手段。

目前关于CNEs的研究,在催化机制解析、类酶活性系统性总结分析及应用开发层面仍存在局限。据此,本文系统梳理了近五年来的热点文献,探讨了类酶结构、多层面影响因素对CNEs的催化活性种类及强度的影响,归纳了其在疾病治疗与预防中的应用,对其未来发展作了前瞻展望。本研究旨在为CNEs的进一步发展提供坚实的理论支撑,推动其在多领域的深入应用,为解决全球性健康问题提供创新思路与策略。

2 碳基纳米酶的结构及活性分类

CNEs是具有模拟酶活性的碳基纳米材料,涵盖了碳纳米球酶(Carbon nano-spheres enzyme, CS-E)[14]、碳纳米管酶(Carbon nanotubes enzyme, CT-E)[15]、碳量子点纳米酶(Carbon quantum dot enzymes, CQDs-E)[16]、多孔有机框架纳米酶[17]和单原子碳基纳米酶(Single-atom carbon-based nanozymes, SCNEs)[18]等。它们具有高比表面积及丰富的表面官能团,如羧基和氨基等。这些特性不仅提升了其催化活性,还为其提供了多样的活性结合位点,便于二次功能化修饰及酶性能定制化调整。此外,CNEs制备便捷,部分能利用生物废料作为原料,降低成本且环保;同时,许多CNEs还具备良好的生物相容性,能在生物体系中应用而不干扰正常功能。鉴于其所展现的诸多优势,CNEs也因此在多个领域大放异彩。

CNEs的类酶活性与其自身结构及掺杂元素的种类有关。纯碳基材料如CQDs-E、CT-E等的类酶活性一般由碳材料表面的缺陷、边缘位点或官能团(如羧基、羟基)等表现。当这些材料掺杂非金属杂原子如N、S、P等后,类酶活性一般由杂原子掺杂形成的活性中心表现;若掺杂金属元素或由碳-金属成化学键的材料,类酶活性一般由碳材料负载的金属纳米颗粒或单原子表现。总体而言,CS-E通常展现出类氧化酶(OXD)活性和类POD活性;CT-E的类酶活性表现则以类POD活性为主,但在特定条件下可表现出类OXD活性;CQDs-E普遍被观察到具有类POD活性(表1)。

需要强调的是,单一类型CNEs具有多种类酶活性,其中同时表现出类POD和类OXD双活性的最为普遍[19-21]。多数研究者曾认为这并非是一种好现象,因为不同酶活性在反应过程中会相互干扰。但近期研究表明,通过改变环境条件(如pH值、光照)可实现酶活性“开关”,有效避免干扰且能在不同环境中分别执行指定酶反应,达到一石二鸟的效果。例如,Chen等[22]报道的Ni-MOF可基于pH值切换类POD活性和类SOD活性。Li等[23]报道的YbGd-CDs可在光照和黑暗两种条件下切换控制类OXD和类POD活性。同样Yang等[24]合成的氧氮功能化碳量子点(O/N-CQDs)在可见光照射下,类POD活性可逆地转化为类过氧化氢酶(CAT)活性,且两种类酶活性可由光强度进行精确控制。

这类CNEs可通过以下多种方式实现多酶活性的负载:(1)在类酶结构中掺杂多种元素,通过金属-金属或金属-非金属元素间的相互作用(如协同作用)可能形成新的类酶子结构,从而表现出多种类酶活性[25-26]。(2)采用含儿茶酚胺结构的碳源为前驱体制备CNEs,有助于在产物中更有效地引入类漆酶和/或类超氧化物歧化酶(SOD)活性[27-28]。(3)以自身具有某种固定酶活性物质作为前驱体,在合成过程进一步拓展和增强其类酶活性的种类和强度,制得多酶活性的CNEs[27]。(4)整合具有特定功能的不同金属基活性位点,模拟多种天然酶活性[29]。这些可调控多酶活性的纳米酶能在复杂环境中高效执行多种催化任务,为下一代CNEs的设计提供了新的思路。

2.1 碳纳米球纳米酶

CS-E是一类具有高度多孔结构的碳材料,孔径一般在100~250 nm。这种多孔结构能够提供高比表面积和丰富的活性位点,有利于底物的充分接触和催化速率的提高[47]。此外,CS-E的石墨化碳骨架结构赋予了其良好的导电性和稳定性,而氮元素的掺杂如吡啶氮(N-6)和吡咯氮(N-5)进一步调节了其电子结构,引入了更多的缺陷位点,从而显著增强了其催化活性。在没有金属掺杂情况下,CS-E主要表现为类OXD和类POD活性,能高效催化氧分子和过氧化氢的分解反应,使CS-E在生物传感、环境催化和疾病治疗等领域具有广泛的应用潜力。2018年,Fan等[62]报道了具有类OXD活性的氮掺杂多孔纳米球(N-PCS)。研究发现,氮掺杂水平越高,酶催化活性越高,并通过X射线光电子能谱(XPS)表征进行证实。这一发现可推测是氮的某种/某些特定形态在催化活性中起着关键作用。Wei等[47]将PtCu合金纳米颗粒包埋在介孔碳纳米球(PtCu/MCN)中,其同样含N-6结构且表现出类OXD活性。Fan等[12]报道的空心碳纳米球(HCNs)表现为类OXD和类POD两种类酶催化活性,无论掺杂Au与否,该材料均展现出类似的酶活性且两者的晶格结构没有明显差异,进一步推测HCNs展现出类酶活性是由于存在特定氮形态如N-6与N-5。不少研究也表明CS-E的类酶催化活性与N-6和N-5含量有关[14,30,63]。然而除了以上两种氮形态,石墨氮(G-N)也是类酶活性激活的关键位点。Fan等[12]发现,碳化后的含N产物具有类酶活性,而未经碳化的含N中间体则不具有明显的类酶活性,说明G-N可能是CS-E中氮形态表现类酶活性的关键步骤。石墨氮结构中的C—N键可能形成活性位点,展现了明显的类酶活性。

据此推测,CS-E的类酶活性可能与N-6与N-5的含量占比及G-N结构密切相关(图1a)。边缘N-6可形成更多活性位点,其孤对电子更易于与金属离子配位,从而形成新的催化活性位点并发挥协同催化作用;而N-5与周围碳原子形成共轭结构,显著调节材料的电子分布,改变材料的电子性质和催化活性。这些氮掺杂结构的协同作用可能是CS-E表现出高效类OXD和类POD活性的关键因素。

2.2 碳纳米管纳米酶

CT-E是由碳原子通过sp2杂化形成的六边形结构纳米级管状材料。由于其自身酶活性较弱,通常作为载体或辅助材料,通过杂原子(如氮或金属元素)掺杂引入活性位点,从而展现模拟天然酶的催化活性。其中,氮掺杂是最常见的激发类酶活性的手段。与CS-E相似,在氮掺杂的CT-E中N-6和N-5被认为是类酶活性的关键位点。Song等[64]以聚吡咯和铁源制备的类POD活性的碳纳米管(Fe-NC NTs),酶活性比典型的Fe3O4纳米酶高2900多倍。Chen等[6]将氮掺杂在碳骨架上,导致附近碳原子产生正电荷位点,利于溶解氧吸附并转移到N-6和N-5催化位点上进一步分解成活性氧(ROS),因而体现出类OXD活性。He等[15]合成了封装钴纳米颗粒的竹子状氮掺杂碳纳米管(N-CNTs@Co),其表现的类OXD活性也可归因于N-6和N-5位点的作用。

CT-E易于表面功能化修饰,与氧化剂作用后可引入丰富的含氧基团,并充当活性位点。Wang等[32]使用浓硝酸作为氧化剂处理碳纳米管,由此引入—C—O、—COOH、—C=O等基团,制得的碳纳米管(o-CT)表现出类POD活性,在H2O2存在下催化3′,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)的氧化反应。作者还研究了含氧基团对酶活性的贡献作用。通过钝化基团修饰,屏蔽—C=O后的o-CT类酶活性显著下降85%,说明—C=O在催化过程中起到了决定性作用;当—C—O和—COOH同时被屏蔽后,它们的类酶活性均高于o-CT。据此推测—C=O是活性激发位点,而—C—O和—COOH是竞争抑制位点(图1b)。此外,氧化剂的用量能显著影响含氧官能团的数量,调节类酶催化活性。Li等[33]以多壁碳纳米管为原料,与氧化剂反应制备了类POD活性的氧化碳纳米管(O-CT)。当采用氧化剂NaClO3的量达多壁碳纳米管7倍时,O-CT的类酶活性最强。CT-E可以通过化学修饰,如引入羰基、羧基等含氧官能团,增强与底物的相互作用,提高催化效率。这或许是提高类酶活性的一项有效的方法。

通过精确调控含氧官能团的种类和含量,可以定向优化CT-E的催化性能,从而满足特定应用需求。在小分子检测领域中,CT-E可用于高灵敏度、高选择性的生物传感器开发,如葡萄糖、过氧化氢等小分子的快速检测。

2.3 碳量子点纳米酶

CQDs-E是一种零维碳球形或近球形纳米材料,表面有丰富的—COOH和—NH2等官能团。这些官能团与其量子限域效应赋予CQDs-E优异的类POD和类OXD活性,能高效催化H2O2分解。Das等[65]证实,CQDs的表面—COOH和—NH2可通过酸碱协同效应及质子耦合电子传递机制,显著提升其类POD活性。他通过理论计算和实验论证了—COOH是强力结合和降解H2O2的活性位点,而—NH2通过供电效应稳定邻近的—COOH减少其电离程度,进一步提高对H2O2结合亲和力和催化活性。Xin等[66]制备了组氨酸功能化石墨烯量子点(His-GQDs),并与血红素结合,构建出高效的类POD活性的模拟物。其中,组氨酸官能团通过配位和π-π堆叠作用与血红素铁中心组成复合物,模拟天然酶中组氨酸残基的功能,稳定活性结构,促进底物识别与催化反应,实现对H2O2与血糖的高灵敏检测。这些官能团的存在促进了底物与CQDs-E之间的相互作用,增强了电子转移过程,为氧化还原反应提供了适宜的化学环境,赋予了CQDs-E类酶活性。

按合成方法和结构差异分类,CQDs-E可分为石墨烯量子点纳米酶(Graphene quantum dots, GQDs-E)[67]和碳化聚合物点(Carbonized polymer dots enzymes, CPDs-E)[68]两类(图1c)。GQDs-E是具有高度有序的石墨烯片层结构,其表现的类POD活性更多依赖于片层的尺寸和边缘结构上的官能团活性位点[69]。Wang等[67]以碳纳米管为前驱体,经浓硝酸氧化后制备了具有丰富含氧基团如—C=O和—COOH的o-GQDs。研究还发现—C=O和—COOH分别是催化活性位点和底物结合位点,相比切割氧化石墨烯制备的碳量子点,o-GQDs的—C=O和—COOH含量分别高出了约6倍和2倍,类POD活性更强,Km值也更小。Fan等[70]发现传统用浓酸改性的产物,很难只引入—C=O,可能还会引入抑制类酶活性的—OH,因此发展了一种用羟基自由基(·OH)为氧化剂的方法,提高产物—C=O的相对含量,可显著增强其类酶活性。首次阐述了在GQDs表面的三种含氧官能团对类POD活性的影响。Yuan等[71]也报道了CQDs的类POD活性可归因于—C=O的引入。另一方面,CPDs-E主要由交联聚合物碳化形成,具有丰富的表面官能团和无序碳结构。由于表面官能团(如—COOH、—OH)和缺陷位点更多,CPDs-E通常表现出更高的类POD和类OXD活性。相比于GQD-E,CPDs-E的化学组成和表面性质更易通过前驱体选择和碳化条件调控,合成也更方便。

此外,CQDs-E还具备激发光波长依赖的发光特性,即发射光波长随激发光红移而增加,此特性常用于与其类酶活性结合发展应用。Dadkhah等[72]利用Zn和Cl共掺杂合成的Zn/Cl-CQDs展现出类OXD的催化性能,结合其荧光性质,实现了核黄素、铜离子和硫胺素的顺序测定。未来可以尝试进一步结合CQDs-E的激发性质与其类酶活性,发展比色和荧光双模式的纳米酶传感器,提高待测物的选择性和灵敏度,开发监测细胞内特定的生化过程或健康实时监测应用。

2.4 多孔有机框架纳米酶

多孔有机框架纳米酶中,最常见有金属有机框架(Metal-organic frameworks, MOFs)和共价有机框架(Covalent-organic frameworks, COFs)(图1d)。MOFs是由金属离子或金属团簇与有机配体通过强配位键连接而成具有高度有序多孔结构的材料,可展示多种模拟酶活性如类POD和类OXD等,具体活性由金属元素的种类决定。其中,表现类POD活性的MOFs通常含有Fe元素[73-77],而展现类OXD活性的MOFs则多含其他过渡金属元素如Ce[78]、Co[79]、Mn[80]等。这些元素的最外层轨道未被完全填满,能通过价态转变催化底物发生氧化还原反应,使负载的纳米酶展现出类OXD活性。

相比于MOFs,COFs则是完全由轻元素如氢、硼、碳、氮、氧和卤素等构成的有机多孔框架型晶体结构材料。由于活性位点主要来源于其中的电负性官能团(如氨基、羧基),COFs类酶活性种类与CS-E和CQD-E相似。因此,通过选择不同的单体和连接方式,可精确调控COFs电子结构和表面性质,优化其催化活性[17]。例如,引入含氮或金属单体可增强类酶活性[58]。Tang等[17]通过多孔COF-OMe内的Cu/氨基酸限域配位策略构建的纳米酶(Cu-Cys@COF-OMe)表现出的类漆酶活性比天然漆酶高出1.9倍,且对酚类污染物的降解动力学比天然漆酶快1.4倍。此外,Zhang等[58]制备的COF具有模拟磷酸酶活性,能超灵敏检测有机磷农药。

2.5 单原子碳基纳米酶

单原子碳基纳米酶(SCNEs)是金属活性位点(如Fe、Cu、Co等)以单个原子形式稳定存在于载体(如碳基材料、MOFs等)表面,形成特定的配位结构,如M-N-C型结构,与天然酶的金属中心结构类似。

SCNEs的金属原子与碳基载体之间存在较强的相互作用力,使单原子能够稳定地锚定在载体上。SCNEs往往是通过将金属前驱体与含氮配体经过高温煅烧后形成金属-N4的四元环结构,环中的金属原子作为活性位点发挥其催化作用[18,29,43-45](图1e),其类酶活性高于相应天然酶。这是由于单原子纳米酶在反应过程中会形成特殊的中间态和过渡态,从而降低反应的活化能,加速反应速率。Zhang等[29]合成的RhN4和VN4展现出独特的“双侧氧桥联”反应路径,这种独特的反应机制能够减少反应能量障碍,从而使RhN4的类POD和类CAT活性以及VN4的谷胱甘肽氧化酶活性均超越了相应的天然酶。与通过金属掺杂的CNEs不同,SCNEs中金属原子均匀分布在碳基底上,且都作为独立的催化中心发挥作用,实现了100%的金属原子利用率。

SCNEs在催化反应中,非金属位点(如π-共轭结构配体、含N、O的简单配体等)还能与金属位点协同提升催化效率与选择性。Wang等[45]制备了Ni-DAB纳米酶,其Ni金属中心与配体中β-碳原子通过协同作用,精准地模拟了天然黄嘌呤氧化酶的双底物结合位点。因此Ni-DAB展现了对尿酸的高效催化氧化能力。Chen等[43]基于Fe-NC SCNEs构建了一种动态高催化-抗氧化级联系统。该纳米酶的Fe-Nx活性位点在催化过程中产生ROS,而配体π-共轭结构能将过量的ROS转化为H2O2并重新供给Fe-Nx活性位点。这种协同作用显著增强了Fe-NC SCNEs的催化能力,同时也防止细胞过量ROS积累造成氧化应激损伤。

严格而言,SCNEs并不属于独立的CNEs类别,其本质是以CNEs为载体或模板前体,通过后续高温热解实现金属活性位点的单原子级分散。这种结构特性决定了SCNEs的类酶催化活性主要源自高度分散的单原子金属活性中心,而非传统CNEs的纳米颗粒固有特性。

2.6 其他

除了上述常见分类外,富勒烯[52]、纳米片[81]、氢键有机框架[82]等材料在模拟天然酶催化特性方面也展现出独特的优势和潜力。富勒烯C60的衍生物C3是通过催化歧化清除超氧自由基(·O2-),可以在生物体内有效地模拟SOD活性,此外还研究了其歧化的机制[83]。Zhao等[81]使用羊毛作为蛋白质前体,合成了富含氮和硫的碳化羊毛纳米片(CW),经过高温处理后其具有内在的类OXD和类POD活性,并提出了高温触发的催化机制,即适当的高温可以将石墨化程度最大化,从而保留大多数催化活性位点。Zhou等[84]发现铜/氮共掺杂的二维碳纳米片(Cu/NC NS)在酸性条件下对H2O2和TMB表现出高亲和力,能够在低浓度H2O2下诱导TMB发生明显的变色反应。

综上,不同的CNEs有各自的结构特点,通过针对性的功能化设计,能够高效模拟单种或多种酶活性如POD、OXD和SOD等。这些材料在生物医学、环境催化和能源转换等领域具有重要的应用潜力。这些材料的开发为碳基纳米酶的研究提供了新的方向和可能性。

3 碳基纳米酶的催化活性影响因素

CNEs类酶活性受多种复杂因素影响,主要包括杂原子掺杂[85]、二次化学改性[32]及环境条件[86]。这些因素通过调节类酶与底物的相互作用来影响类酶活性。具体而言,杂原子掺杂可能改变类酶的选择性或活性类型,使其适应不同类型的底物;二次化学改性则通过增加类酶与底物的亲和力或改变类酶的构象来增强其活性;而环境条件如光激发、温度、pH值等,则是类酶活性发挥最佳状态的优化因素(图2)。

3.1 杂原子掺杂

在CNEs中掺杂N、S等异原子和/或Ce、Cu等重金属元素,可增加活性位点、优化电子结构,激发异原子间的协同效应,显著提升催化效率。此外,还可精确控制掺杂种类与数量,使CNEs的性能得以定制化,进而在疾病早期标志物检测、抗菌应用以及肿瘤治疗等多个领域展现出更高的特异性。其中,单一氮掺杂的材料一般表现出类POD活性。在碳纳米材料中引入不同的氮元素形态,如N-5、N-6、G-N等,可能重建碳纳米材料的电子结构,形成活性位点,提高其催化性能(图3a)。Lou等[85]报道了一种氮掺杂的CP600-6增强了类POD活性,先利用葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化成H2O,再利用CP600-6的类酶活性催化H2O2生成·OH氧化TMB发生显色反应间接检测葡萄糖的含量。Hu等[87]也将氮掺杂到还原氧化石墨烯和介孔碳,类POD活性分别提高了100和60倍。

相比于单一非金属元素掺杂,多种非金属元素共掺杂的CNEs通常展现出更优异的催化活性,可能是由于多元素的协同效应从而提高材料的催化性能。Chen等[88]制备的S和N共掺杂的SNC纳米酶表现出比单一氮掺杂碳(NC)纳米酶有着更高的类POD活性,SNC的比活性为17.5 U/mg远高于NC纳米酶的4.5 U/mg,也表现出更高的Vmax和更小的Km值。拉曼光谱分析显示SNC纳米酶的ID/IG比值(缺陷程度的指标)高于NC纳米酶,表明SNC纳米酶由于S和N共掺杂产生了更多的缺陷。Luo等[89]制备了N和B共掺杂的石墨烯纳米带(NB-GNRs),共掺杂和边缘结构的引入为NB-GNRs提供了高缺陷结构和活性位点,展现出比单独N掺杂或B掺杂更高的类POD活性。也发现多种非金属共掺杂的材料所展现的类POD活性高于单一元素掺杂的材料[90-91]。

过渡金属如Cu、Ce、Fe、Mn等掺杂的CNEs具有优异的类SOD活性。Zhang等[92]研究了Cu-MOF纳米酶中,铜活性位点对·O2-的吸附能力以及对H2O2解离能力的影响,其中高价态的Cu2+具有更强氧化性,更有效地将·O2-转化为O2和H2O,表现出更强的类SOD活性。Sun等[93]制备了Ce NPs纳米酶,其类SOD活性源于类酶内部核心Ce3+/Ce4+间的氧化还原反应。Liu等[94]也发现了Ce-MOF中高氧化态产物具有更强的类SOD活性。

除了以上元素外,锡元素也被认为具有类似的催化能力。Li等[95]制备的Sn基金属有机框架纳米酶(Sn-PCN222)展现出异常高的类SOD催化活性,在特定pH值和温度下甚至优于天然酶。作者认为这种前所未有的催化行为依赖于材料中心的Sn(Ⅳ)/Sn(Ⅱ)的价态转变,其中高价态的Sn(Ⅳ)更是起到关键作用。综上所述,在高氧化态下,这些金属离子通过氧化还原反应中的电子转移过程,凭借其提供或接受电子的能力,展现出优越的类SOD活性,从而显著加速催化反应(图3b)。

金属和N元素共掺杂也能通过形成新活性位点进一步提升类酶催化活性。Liu等[96]将血红素包裹在ZIF-8(沸石咪唑框架)中,通过高温煅烧得到Fe-N共掺杂多孔碳(Fe-N-C)纳米酶。通过XPS分析确认了Fe-N-C纳米酶中存在Fe-Nx结构,其有助于提高类POD活性。Liang等[37]制备的Fe和N共掺杂的CQDs的类POD活性比单纯Fe掺杂的更高。Zhou等[84]研究的Cu和N共掺杂增强了Cu/NC NS的类POD活性,通过KSCN阻断实验验证Cu-Nx位点是主要催化位点。Hao等[97]报道的Fe, N共掺杂超薄空心碳框架(Fe,N-UHCF)展现出超高的类POD活性,并且Fe-Nx活性位点被认为在Fe,N-UHCF中扮演着核心角色,这些位点显著提升了材料的酶样催化效能,使其在催化反应中展现出更高的效率。众多研究已经证实,金属与N共掺杂的纳米材料中Metal-Nx结构在展现出类POD活性中起着关键作用[98-100](图3c)。

3.2 二次化学改性

二次化学改性是指合成后再通过后续化学处理手段对材料表面结构和性能进行修饰或改性。功能化修饰是二次化学改性中增强CNEs类酶活性的最常用策略,其中,羧基功能化因操作便捷和效果显著而被广泛采用。Shukla等[31]制备了—COOH功能化的碳纳米球(LC-CNS@NTA)。与未经修饰的碳纳米球相比,LC-CNS@NTA表现出更强的荧光,更低的Km值和更高的Vmax值,充分说明了—COOH的引入提高了碳纳米球的类CAT和类POD活性。相似的,Yang等[101]通过原子层沉积技术合成了碳纳米管负载的Fe2O3混合纳米酶,发现引入—COOH后纳米酶表面含氧量增加,给Fe2O3的锚定提供更多化学位点,比未修饰的Fe2O3纳米酶的类POD活性高出了约4.76倍,达24.5 U/mg。

有趣的是,在不同CNEs中引入相同的含氧/氮官能团,其类酶活性调控效应呈现显著的基质依赖性,在变化方向及强度上会有差异,如同一官能团在sp2杂化类型碳基底中可增强类POD活性,而在sp碳基底中反而抑制催化效能。这种相反效应或许可归因于不同碳基底中电子结构的差异,如质子转移的不同路径及活性中间体吸附能垒的差距等。Wang等[32]发现,在碳纳米管引入—COOH会提高类POD活性,而Zhu等[5]在Cu修饰的空心碳纳米球(Cu2+-HCNSs-COOH)中引入—COOH则适得其反。这是因为后者的主要活性位点来源于金属,而含氧官能团会与金属形成稳定的配位键,降低类酶活性,如图3d所示。引入官能团影响类酶活性可能还与其疏水性有关。Shen等[102]发现,涂覆四乙氧基硅烷(TMS)的Pt@ZIF-8,其类POD活性远高于表面—COOH功能化的Pt@ZIF-90,甚至比天然辣根过氧化物酶(HRP)还高。此外,该类TMS涂覆酶的活性还与溶剂中水含量密切相关。可能因为TMS疏水基与水作用力极弱,更有利于吸附H2O2而增强酶活性。

刻蚀也是二次化学改性中常用的类酶活性调控策略,包括湿法、干法、电子束刻蚀等方式。Li等[103]通过高温煅烧和刻蚀处理后,合成了具有二维结构的纳米酶(2D V2O5@C)。刻蚀过程增加了其比表面积和孔隙结构,从而增强其类POD活性。Tao等[104]通过NaCl熔融刻蚀,引入氯元素并增加sp3杂化碳的缺陷密度提高了类POD活性。这些技术通过化学反应去除材料的外层部分结构,形成特定的缺陷孔隙结构,使部分埋藏的类酶活性中心外露,或者形成中空或多孔形貌显著增大比表面积,引入缺陷态,提高类酶催化活性[6,105](图3d)。

热解法普遍用于合成SCNEs,能在温和的条件下对前驱体进行热解,使金属前驱体与碳基载体、氮源等发生反应,形成单原子分散的M-N-C结构。这种制备方法被广泛应用于确保金属原子的高度分散,并通过碳基底的热解过程引入了丰富的微孔结构,增加了比表面积,从而提高了底物的吸附和反应效率[29,44]。

3.3 环境条件控制

与天然酶一样,温度、pH环境和光刺激对CNEs催化活性有显著影响,探明CNEs的最大活性条件和有效活性条件范围在小分子检测和疾病治疗中尤为重要。CNEs的最佳温度一般在40 ℃左右[10,106-107],少数在高温下仍具有较好的催化活性[10,66,88,108]。另一方面,大多数CNEs在pH为4.0~4.5左右[5,30-31,38,86,106,108-110]的环境中表现出最佳的类POD活性,一些CNEs的催化作用可以在更宽的pH催化范围内有效进行[9,66,108]。

光照射能够激发CNEs类酶活性,使其产生更多的ROS,增强其在抗菌、肿瘤治疗等领域的应用效果。其中,最常用的激发光有可见光、紫外光和近红外光等。Wang等[111]合成的无金属氮掺杂碳纳米点(N-CNDs)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的灭活率分别为59.72%和37.15%,而结合365 nm光照射可增强N-CNDs的类OXD活性,灭菌率分别达到97.91%和80.02%。但可见光波长较短,组织穿透力差;紫外光对皮肤也具有潜在破坏影响。与其相比,非侵入性的近红外光具有良好的组织穿透能力和更低的光毒性,适用于活体深层组织治疗。结合CNEs材料,可精确限制治疗区,同时减少对正常组织的损伤,提高治疗的安全性[112]。

含丰富共轭基团的CNEs,常用作近红外光吸收剂,将光能转换为热能,这种现象称为光热效应。同时,近红外光照射区域温度升高,提高底物与酶之间的碰撞概率,酶催化活性增加。Xu等[86]通过光敏剂Ce6改性Pt/C复合材料的表面(HCS@Pt-Ce6 NPs)处理了CT26小鼠结肠癌细胞,发现在660 nm激光照射下该处理组细胞产生ROS的能力更强。由于照射区域较小,一般不引起整个体系温度大面积变化[113]。Fan等[12]将单金纳米颗粒封装于多孔空心碳壳纳米球中,构筑了核壳复合物(Au@HCNs)。该纳米酶具有类POD活性,经808 nm近红外辐照10 min,温度升高了约17 ℃,表明在激光照射下Au@HCNs具有光热转换能力,光热转换效率值为26.8%。Zhang等[13]构建的碳金杂化纳米复合材料(MCAPs)在808 nm激光照射下5 min内仅照射区温度显著升高且随着辐照时间增加而增加,说明该纳米材料的PTT效应可以对肿瘤细胞造成损伤。相比直接加热,光激发能实现局部区域的温度升高,不会导致周围环境的温度升高;能更精确作用于目标纳米酶,而不影响其他成分。

综上所述,为提高CNEs类酶活性可采用:(1)通过氮掺杂引入N-5、N-6和G-N;(2)掺杂过渡金属元素,提供额外氧化还原电对加速催化反应;(3)共掺杂两种及以上元素,通过协同作用产生更多的缺陷位点,或金属-N共掺杂产生新的活性催化位点等掺杂手段。(4)引入含氧官能团,或通过刻蚀产生更多的缺陷结构显著提高类酶活性。(5)合理调控pH、温度等条件提高类酶活性。(6)结合红外敏感材料,采用红外光激发酶,产生光热效应。

4 碳基纳米酶在生物医学中的应用

CNEs作为一种具有独特理化性质和类酶活性的新型纳米材料,在生物医学领域如小分子筛查[109]、氧化应激调节[114]、抗菌治疗[106]和肿瘤治疗[86]等方向展现出巨大的应用价值,作用机理如表2所示。这些应用不仅拓展了纳米材料在生物医学中的应用范围,而且为相关疾病的诊断和治疗提供了创新性的解决方案和研究思路。

4.1 小分子筛查

部分疾病前期,体内某些特定小分子会表现出浓度水平异常,如糖尿病患尿液中葡萄糖含量升高,或痛风患者尿液中尿酸含量升高等。据此,可根据异常小分子的种类及浓度变化,在疾病早期阶段进行诊断和干预。正常情况下尿液不含葡萄糖,因此尿糖阳性是糖尿病的一个关键信号。Wang等[9]制备了一种具有类葡萄糖氧化酶活性的负载在纳米管上的PtAu复合纳米颗粒(PtAu/CNTs纳米酶),能催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和H2O2。PtAu/CNTs的表面修饰二硼酸(SDBA)分子,SDBA分子含有能够与葡萄糖分子中的顺式二醇基团形成可逆配合物的硼酸基团,从而增强了对葡萄糖的选择性。证实了该传感阵列用于检测健康个体晨尿中的葡萄糖含量的有效性,回收率在97.7%~104.0%,有望用于家庭中尿糖的监测。

尿酸是人体代谢嘌呤时产生的一种废物,正常情况下会通过尿液排出,但水平的升高可能是由于嘌呤代谢增加或其他疾病(如痛风)所引起。Sun等[110]仿生HRP天然酶的催化活性中心,构建了具有类血红素活性中心的组氨酸-氨基化木质素磺酸钠-铁纳米酶(His-SL-Fe)。与HRP相比,His-SL-Fe纳米酶对TMB和H2O2的亲和力更强,显示更高的催化效率。基于His-SL-Fe的传感系统,成功应用于人尿复杂基质中尿酸的高灵敏、高特异性定量检测,展现出在尿酸检测领域的应用前景。上述的两种传感器都展示了在家庭健康监测中的应用潜力,能够为疾病早期诊断和健康管理提供便利。

在苯丙酮尿症、2型糖尿病、肿瘤等多种疾病的早期阶段,特定氨基酸的浓度水平会出现异常波动。监控这些氨基酸的浓度水平,可有效实现潜在疾病的早期诊断。Li等[109]通过两步热解法制备了具有类POD活性的热解碳点纳米酶(CDs@NC)。D-氨基酸氧化酶氧化D-氨基酸产生的H2O2,CDs@NC进一步将H2O2催化生成强氧化性的·O2-,氧化无色TMB变蓝,颜色浓度与D-氨基酸浓度成正比。据此建立了比色法用于检测临床唾液样本的D-脯氨酸和D-丙氨酸(图4a)。这两种物质在早期胃癌患者的唾液中浓度显著高于正常人,因此这种检测方法有望用于早期胃癌的快速筛查和诊断。

4.2 调节氧化应激

ROS如·O2-、H2O2和ABTS·+等是生物体代谢过程中产生的重要分子,既参与细胞信号传导和免疫防御等生理过程,也可在病理条件下引发氧化应激。当因不良生活方式、代谢紊乱或免疫反应异常等因素导致ROS生成与清除失衡时,过量ROS会攻击细胞,引发DNA损伤、脂质过氧化和蛋白质变性等病理变化,最终导致细胞功能障碍甚至死亡[116]。CNEs因其独特的类酶活性(如模拟SOD、CAT和POD等),能够高效催化ROS的还原反应,清除过量自由基并恢复氧化还原平衡,从而减轻氧化应激损伤(图4b)。因此,CNEs可作为预防ROS失衡和治疗氧化应激相关疾病的新药候选。

Shukla等[31]制备了一种具有POD和OXD双重类酶活性的无金属碳基纳米酶(LC-CNS@NTA)。与采用H2O2处理的细胞相比,LC-CNS@NTA处理组脂质过氧化指标丙二醛水平下降显著,证明了其在细胞水平上能够减轻氧化应激。Zhang等[107]报道的铂包裹-氮掺杂碳点纳米酶(Pt@CNDs)具有SOD和CAT双重类酶活性。该纳米酶处理组细胞中DMPO/•OOHESR加合物的ESR信号强度显著降低,证实Pt@CNDs具有高效清除ROS的能力。当加入Pt@CNDs达25 μg/mL,被漂白亚甲蓝的吸光度恢复80%(即能清除80% ROS),因此在治疗ROS相关疾病的新候选疗法中展出巨大潜力。Dong等[114]报道的碳点酶能够高效清除ABTS·+和·OH等多种自由基,通过调节细胞内的ROS水平来保护细胞免受氧化应激的损伤,并在炎症细胞模型中发现可显著降低白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)和TNF-a水平,产生良好的抗炎效果。Geng等[115]制备了具有类SOD活性的C-dots,可以有效地清除·O2-。在用脂多糖诱导细胞产生炎症反应的体外实验中观察到绿色荧光程度显著减少,表明C-dots具有优异的降低ROS的水平。同时MTT实验中(H2O2处理导致大约50%细胞死亡),预先用不同浓度的C-dots(0~80 µg/mL)处理的细胞显示出浓度依赖特性的细胞活性增强,表明C-dots具有防护氧化应激的效果。此外还发现C-dots具有线粒体靶向作用,而线粒体是细胞内ROS产生的主要场所[117],因此可在线粒体源头减少ROS产生。

4.3 抗菌治疗

随着抗生素的泛用和滥用,细菌耐药性问题愈发严峻,导致许多传统抗生素对常见病原菌的疗效显著下降甚至失效,该现象已成为全球公共卫生领域亟待解决的重大挑战。CNEs作为一种新兴的抗菌剂,为解决细菌耐药性问题提供了新的策略。其抗菌机制主要依赖于模拟天然酶的催化活性,通过产生高活性自由基破坏细菌细胞膜和细胞壁的完整性,引起细胞内容物泄漏和细菌死亡,实现高效且广谱的抗菌效果[50](图4c)。此外,CNEs还可通过干扰细菌代谢过程或破坏生物大分子(如蛋白质和DNA)进一步增强其抗菌效果。

Wang等[111]以茶多酚和乙二胺制备了具有类OXD活性的N-CNDs。该纳米酶继承了茶多酚自身的抗菌活性,且该活性在365 nm光激发下进一步增强了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的灭活率,分别达到97.91%和80.02%。Jiang等[118]报道的P掺杂的碳点(P-CDs)在光照作用下产生了电子,这些电子与空气中的氧气反应,生成具有氧化性的·O2-而表现出类OXD活性。P-CDs能够有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长,通过扫描电子显微镜(SEM)可以观察到经P-CDs处理后的细菌形态发生改变,细胞壁出现皱褶、塌陷和破裂,表明通过破坏细菌细胞结构的方式杀死细菌,随着浓度的增加和光照时间的延长,细菌存活率明显下降。Feng等[119]具备类OXD活性与光热效应的单原子铁-多层洋葱碳纳米酶,经ROS生成和局部升温双机制协同作用10 min,即可将大肠杆菌存活率降至2.5%,实现高效、低剂量抗菌。Li等[10]制备的Fe/N 掺杂壳聚糖螯合碳点基纳米酶(CS@Fe-N CDs)具有类POD活性,可催化过氧化物转化为·OH,破坏细菌的细胞结构,实现抗菌效果。在体内伤口愈合实验中,CS@Fe-N CDs显著缩短了大鼠伤口愈合模型的时间,比常用的药物青霉素具有更好的治疗效果。CS@Fe-N CDs纳米酶结合了抗菌和促进伤口愈合的优势,为抗菌伤口愈合提供了一种实际且生物安全的策略。

4.4 肿瘤治疗

据世界卫生组织的全球癌症统计数据,癌症是第二大致死原因,仅次于心血管疾病。传统癌症的治疗手段通常包括手术、传统化疗和放疗,均可能带来显著的副作用。

CNEs能够利用其模拟酶的特性抑制肿瘤的生长甚至消融,为肿瘤的治疗提供了新的有效可靠的方法。Tao等[11]通过表面修饰铁和铜原子制备的空心碳球(HCS-FeCu)纳米酶具有多种模拟酶活性,同时660 nm光照的电子能够增强HCS-FeCu表面与吸附的氧分子相互作用,促进了氧气的活化及ROS的产生。产生的ROS激活了焦亡相关的信号通路触发细胞焦亡,导致细胞破裂、肿瘤抗原释放到外环境中以及促炎细胞因子的释放激活了免疫系统,增强抗肿瘤免疫力。Yao等[7]从咖啡的主要成分绿原酸合成具有类谷胱甘肽(GSH)氧化酶活性的ChA CQDs,可高效氧化分解GSH。在HepG2和H22肿瘤模型中,通过向肿瘤部位注射的方式,发现ChA CQDs能显著抑制肿瘤的生长。并且还发现能够促进免疫细胞(如T、NK和巨噬细胞)向肿瘤组织的浸润,增强了肿瘤微环境对免疫系统的吸引力,激活系统抗肿瘤免疫反应(图4d)。

通过传统肿瘤部位注射给药的方式可能在临床医学上受到多种因素影响,包括操作者的经验及肿瘤位置等。因此可通过功能化修饰提高纳米酶对肿瘤的靶向性,使其在肿瘤部位定位释放,提高浓度及治疗效果,也减少对其他组织的潜在损伤。叶酸受体是公认的肿瘤细胞生物标志物,其会在大量的肿瘤上过表达[120]。而叶酸(FA)是一种能够特异性结合到肿瘤细胞表面叶酸受体的小分子,可将其作为修饰基团,提高探针对肿瘤细胞的靶向性。同时,叶酸受体介导的内吞作用使纳米酶材料更有效地被肿瘤细胞摄取。Zhang等[13]制备了经强酸处理的多孔碳纳米球掺杂金纳米粒子(OMCAPs),再将FA修饰的rBSA接在OMCAPs表面,提高了纳米探针对肿瘤细胞的靶向性,减少对正常细胞的损伤。该探针具有良好的靶向治疗效果,在治疗胃癌肿瘤中有显著的治疗效果甚至有消融肿瘤的作用。同样还有Liang等[30]合成的POD和OXD双重类酶活性磷氮双掺杂的多孔空心碳球纳米酶(PNCNzyme)。其具有独特的结构优势,可有效负载前药吲哚乙酸(IAA),并定位于酸性溶酶体中,激活IAA产生大量的ROS,触发肿瘤细胞凋亡。作者进一步通过表面FA修饰,增强了该探针在肿瘤细胞中的靶向和内吞作用,提高了催化前药IAA的效率。

5 结论与展望

与天然酶相比,CNEs展现出了显著的多维优势。其一,CNEs具有高稳定性、低生物毒性及低制备成本特性,克服了天然酶易失活、提纯工艺复杂等缺点;其二,CNEs不仅具备良好的催化活性,还可通过异元素掺杂、二次化学修饰或激光辐照等手段精准调控其类酶活性类型与强度,适配多样化催化应用场景需求;其三,碳基底具有可调的丰富孔径结构,能针对底物分子尺寸进行定向设计,有效促进传质效率提升与提高底物-催化位点接触面积。上述三点特性使CNEs在疾病早期诊断与靶向治疗等领域展现出广阔的应用前景。

然而,CNEs仍面临一些挑战。(1)绝大部分CNEs催化活性仍低于天然酶和金属基纳米酶,因此寻找具有高类酶活性的新材料仍然重要。(2)现有CNEs通常具有多种类酶活性。解决方案一:设计可调控类酶活性的纳米酶,减少交叉反应,避免不必要的副反应是关键;解决方案二:设计可调控多酶活性开关的纳米酶,适配不同场景的催化应用。(3)CNEs在生物体内的生物学特性研究如体内分布、代谢机制、是否会被当作外来物质引起免疫反应、是否会由于累积作用引发潜在毒性或者长期毒性等多维度的评价指标还不充分,还需进一步完善安全性评价体系。(4)CNEs在细胞和小鼠实验中有良好的治疗效果,但仍需更充分的实验数据证明其有效性。此外,还需评估CNEs在有相同类型疾病但健康状态不同的生物体中的有效性,这意味着CNEs在生物医学领域的实际应用还面临诸多挑战,其落地化进程仍前路漫漫。

综上,本文对CNEs的未来研究作出以下展望:首先,必须聚焦于CNEs构-效关系的研究。在此基础上,有望通过新材料的引入、合成方法的创新和类酶结构的精确设计,进一步提高CNEs催化效率,使其更接近甚至超越天然酶;提高CNEs的生物相容性,并研究其在生物体内的代谢途径和生物降解性,以确保其在临床应用中的安全性。开发能够对特定生物标记物有响应的纳米酶实现精准治疗和监测。随着纳米技术的进步,碳基纳米酶有望在未来生物医学中发挥重要作用。

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基金资助

国家自然科学基金(22074023)

广东省医学科研基金(A2024469)

广东省中医药局科研项目(20251213)

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