【Nature子刊】清华大学李亚栋院士团队研发高活性酶，为癌症治疗带来新希望！

2024年7月22日，清华大学化学系李亚栋院士团队在期刊《Nature Communications》上发表了题为“Enhancing radiation-resistance and peroxidase-like activity of single-atom copper nanozyme via local coordination manipulation”的研究论文。在本研究中，团队开发了一种强大的CuN₃-SAzyme，其产生的酶活性和动力学，远高于CuN_4-SAzyme和CuOx纳米酶。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50416-8

研究背景

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通常，暴露于X射线和γ射线等辐射的天然酶，会在其结构中发生永久性改变，从而通过直接和间接作用，在一定程度上导致其失活。由于水占大多数生物组织成分的近80%，因此，X射线可以电离水分子以破坏氢氧键，从而产生一系列化学反应性物质。这些物质扩散到天然酶的表面，通过化学反应破坏其生化结构。同时，X射线还可以与天然酶的原子相互作用，导致一系列物理和化学事件，最终导致其结构变化，甚至化学修饰。X射线和γ射线对天然酶的灭活，极大地阻碍了它们的各种应用。当前研究的一个主要核心问题，是开发具有优异抗辐射性和优越酶活性的人工酶，旨在解决天然酶在放射治疗中实际应用的局限性。

纳米酶具有内在的酶模拟活性，结合了生物催化剂和纳米材料的优点，赋予了天然酶之外的独特能力，包括低成本、高稳定性和易于储存。人们已经集中精力了解这些纳米酶，用于从体外到体内的肿瘤诊断和治疗。为了进一步增强酶活性，科学界研究了具有可设计几何结构和优化原子利用率的单原子纳米酶（SAzymes），通过从细胞内物质产生治疗物质，来进行酶治疗。另一方面，碳材料对辐射损伤具有很强的抵抗力，并可作为SAzymes的基质，使其在X射线，甚至高能γ射线照射下，具有很高的结构稳定性。

在本研究中，团队开发了一种强大的CuN₃-SAzyme，其产生的酶活性和动力学，远高于CuN₄-SAzyme和CuOx纳米酶。此外，CuN₃-SAzyme在暴露于X射线时，比天然过氧化物酶更稳定，其可接受的辐射剂量高达500Gy。有趣的是，X射线的引入，可以增强CuN₃-SAzyme的过氧化物酶样活性和动力学。结合卓越的抗辐射性和出色的酶活性，CuN₃-SAzyme可用于增强放射酶治疗，以解决天然酶应用面临的关键问题。

研究进展

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CuN₃-SAzyme的抗辐射特性

酶在放疗过程中，需要良好的抗X射线能力，才能维持其结构和活性，从而增强治疗效果。在很宽的温度和PH值范围内，团队观察到CuN₃-SAzyme具有高酶活性（≥80%），而没有实质性的形态变化。这表明，CuN₃-SAzyme与天然HRP相比，对PH值具有更好的耐受性和更高的温度稳定性。更有趣的是，在PH3.54时，CuN₃-SAzyme对辐射，显著增强其过氧化物酶样活性。

团队观察到，天然HRP的酶活性在X射线辐射后，急剧下降，最后在辐射剂量大于50Gy时趋于零。CuN₃-SAzyme在X射线辐射后，其过氧化物酶样活性或动力学参数，没有显著降低，辐射剂量高达100Gy。并且，其在进一步辐射（500 Gy）时，仅检测到10%的降低。此外，CuN₃-SAzyme的酶活性，即使在几次辐射周期后，也不会减少。CuN₃-SAzyme的形貌和化学结构，或其酶动力学，均未发生变化。这些结果表明，CuN₃-SAzyme比天然酶更能抵抗X射线，可以有效地重复使用和循环，而不会明显损失酶活性。这些特性对于各种应用都至关重要，特别是对于非常需要抗辐射性和良好可回收性的放射治疗。

CuN₃-SAzyme的抗辐射性，主要由于以下原因。1.CuN₃-SAzyme各活性位点，只包含1个Cu原子和3个N原子，它们之间的相互作用足够强。这意味着CuN₃-SAzyme活性位点，不仅可以保持结构稳定性，还可以保持构象稳定性。相比之下，天然HRP的活性中心包含较多的原子和基团，其相互作用不仅包括较强的化学键，还包括较弱的氢键和分子间相互作用。在X射线照射下，这些较弱的相互作用很容易被破坏，导致活性中心转变为其他构型，并失去其原有的酶活性。由X射线辐射引起的电子和电离，可以进一步加剧这种不稳定性。2.CuN₃-SAzyme中Cu含量低。这意味着穿透纳米酶的短波长X射线光子，与碳结构相互作用的概率很高，与CuN相互作用的概率非常低。相比之下，天然HRP的活性中心，比CuN₃-SAzyme占据的空间大得多。其活性中心所采用的构象的稳定性，还取决于其周围环境的尺寸。X射线光子可以很容易地击中与天然酶的功能相关的一些成分，从而破坏构象的稳定性，并降低其酶活性。这些结果证明了，锚定CuN₃-SAzyme纳米结构上的活性部分，使CuN₃-SAzyme对X射线的抗辐射性更强。这一概念，可以进一步扩展到，制造其他抗辐射的酶。此外，CuN₃-SAzyme还对γ射线（钴-60源，平均光子能量为1.25 MeV）具有抗辐射性，其酶活性或化学结构，没有显著变化。

CuN₃-SAzyme的表征。

CuN₃-SAzyme协同抑制肿瘤生长

CuN₃-SAzyme对肿瘤细胞，具有有效和选择性的抑制能力。暴露于808nm近红外光后，CuN₃-SAzyme的IC50值，随着808nm NIR 光功率密度的增加而逐渐增强。CuN₃-SAzyme加808nm NIR光和X射线的共辐照，诱导了菌落形成的最佳抑制能力，并且这种增强的抑制效率是浓度依赖性的。CuN₃-SAzyme能够在细胞水平上，催化产生更自由基的氧（ROS），以杀死癌细胞。

CuN₃-SAzyme的ROS相关细胞毒性，通过分析细胞反应进一步解决，包括DNA双链断裂（DSBs）和线粒体膜电位损失。在CuN₃-SAzyme中，观察到线粒体膜电位的浓度依赖性损失。当用808nm NIR光和X射线进一步照射时，CuN₃-SAzyme处理的4T1细胞和绿色荧光完全消失。这证实了线粒体膜的强烈损伤，同时，其伴随着细胞色素释放到胞质溶胶中，并诱导线粒体介导的细胞凋亡途径。

这些结果表明，CuN₃-SAzyme在体内可有效抑制4T1肿瘤生长，主要是由于辐射增强的过氧化物酶样活性，使内源性H能够产生更多的ROS₂O₂，以及通过CuN₃-SAzyme修正缺氧微环境介导的光热效应。

CuN₃-SAzyme在不同剂量注射下（5和10mg kg−1用于瘤内注射，10和20mg kg−1用于皮下注射），表现出良好的血液相容性，没有红细胞损伤。除肿瘤外，注射后第14天，在心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等主要器官中，未观察到全身炎症或组织损伤。血常规检测和生化指标的水平，落在未处理小鼠的参考范围内。这些数据表明，CuN₃-SAzyme对局部给药是安全的，可以用作有效的癌症治疗剂。

CuN₃-SAzyme的体外和体内增强放射酶治疗。

研究结论

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团队从理论上证明并通过实验，开发了一种CuN₃-SAzyme，具有更高的酶活性。CuN₃-SAzyme通过调节Cu-Nx，协调结构。引入包括808nm NIR光和X射线在内的外场，可以显著提高CuN₃-SAzyme的酶活性和动力学。此外，CuN₃-SAzyme在反复X射线照射和高剂量照射后相当稳定，其酶活性没有显著降低，因此，其对X射线表现出优异的抗辐射性。CuN₃-SAzyme可以通过增强的放射酶方式，完全根除癌细胞，并显著减少对正常组织的损伤。这种简单而有价值的配位工程策略，不仅为酶活性优异、辐射抗性高的酶的开发和优化，提供了新的见解；而且，它可以通过增强放射酶治疗，扩展到肿瘤等多种疾病的治疗，为酶学应用开辟了新的前景和突破。

参考资料：

1.Wilson, D. E. The effect of ionizing radiation on the enzyme desoxyribonuclease in the dry state. Int J. Radiat. Biol. Relat. Stud. Phys. Chem. Med 1, 360–365 (1959).

2.Sanner, T. & Pihl, A. Kinetics of enzyme inactivation by ionizing radiation. Radiat. Res 19, 12–26 (1963).