西安交大科研人员在碳点纳米酶生物医学应用方面取得系列新进展

(资料图片)

纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料，能够在生理或极端条件下催化酶的底物，具有类似于天然酶的酶促反应动力学，并且可以作为酶的替代品用于人类健康。自从2007年首次报道以来，全球已经有55个国家的420个研究单位陆续报道了近1200种不同纳米材料的纳米酶活性，其催化类型涵盖了氧化还原酶、水解酶、裂合酶和异构酶等。纳米酶是多学科交叉融合的典范，2022年被IUPAC评为十大化学新兴技术。经过十几年发展，在从事化学、酶学、材料、生物、医学、理论计算等多领域科学家共同推进下，如今纳米酶已经成为新的研究热点。

碳点(C-dots)作为一类光致发光纳米材料，因其独特的性质，在过去10年受到了极大研究关注。碳点具有粒径小、易制备、成本低等优点，其表面丰富的含氧官能团，如羰基、羧基、羟基等，使碳点具有良好的水溶性和易于功能化的特点。因此，碳点在传感、生物成像、发光二极管、疾病治疗等方面显示出巨大应用潜力。此外，碳点由于其小尺寸效应和丰富的活性位点而表现出催化活性，但以往所报道的碳点纳米酶主要集中于其过氧化物酶活性，关于设计具有高抗氧化活性的碳点纳米酶的报道较为罕见。研究团队设计了具有超高类SOD活性的碳点纳米酶（活性>10000 U/mg），并利用表面结构定向调控策略和理论计算揭示了其催化机制。研究结果表明碳点SOD纳米酶的羟基和羧基能够通过氢键与超氧阴离子结合，与π-体系共轭的羰基则夺取超氧阴离子的一个电子，产生氧气和还原态碳点。还原态碳点被另一个超氧阴离子氧化回初始状态并产生过氧化氢。体外实验结果显示碳点纳米酶可选择性靶向氧化损伤的细胞，并定位到线粒体，这对从源头上清除胞内ROS非常有利。结合其高催化活性，成功地将碳点SOD纳米酶应用于抵御体内缺血性中风引起的氧化应激，并取得良好的治疗效果。此外，碳点SOD纳米酶具有稳定性高、制备容易、成本低廉、易于规模化生产等优点，克服了天然酶的局限性，在工业、医学、生物等领域展现出巨大的应用潜力。