近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場(chǎng)中心王輝研究員與張欣研究員課題組合作，依托穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置（SHMFF）核磁共振和電子順磁共振，基于課題組發(fā)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(xiàn)態(tài)氧（1O2）介導的腫瘤催化治療，相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上。
1O2介導的腫瘤治療面臨諸多挑戰，包括低效、有創(chuàng )的外部刺激，乏氧的腫瘤微環(huán)境以及其內部過(guò)表達的氧化還原物質(zhì)，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(lài)O2的方法來(lái)敏化1O2的生成，并避免了與外源刺激相關(guān)的正常組織損傷。迄今為止，僅有銅（Cu）基和鉬（Mo）基材料被開(kāi)發(fā)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(lián)合研究團隊采用有機溶劑自碳化還原策略，通過(guò)材料表界面維納調控技術(shù)，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(guò)Russell反應將過(guò)氧化氫（H2O2）轉化為1O2。
O-Fe-N4納米酶具有兩種相互關(guān)聯(lián)的催化特性：類(lèi)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(shí)表現出79.58 U mg-1的比酶活值，優(yōu)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(jìn)Russell反應發(fā)生。
在實(shí)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(yōu)異的酶活性。這種明確的Fe-N/O結構產(chǎn)生的酶活性可以有效下調谷胱甘肽過(guò)氧化物酶-4活性，并誘導脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)程，從而抑制腫瘤增殖。
這一發(fā)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(shù)立了典范，引領(lǐng)了催化劑設計與優(yōu)化的新方向。
該研究工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省杰出青年科學(xué)基金、國家博士后創(chuàng )新人才支持計劃、中國博士后科學(xué)基金等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202307254
圖 1. O-Fe-N4催化劑的合成及腫瘤催化治療示意圖。
