近日，阎锡蕴院士团队应邀在《Nature Reviews Bioengineering》杂志上发表了题为"Designing nanozymes for in vivo applications"的综述文章，该文全面梳理了纳米酶催化医学的代表性研究进展，探讨了切实可行的体内应用设计策略，展望了纳米酶临床转化的挑战与前景。
自从2007年阎锡蕴院士团队首次报道纳米酶以来，全球已有超过420个研究团队陆续发表了上千种不同的纳米酶材料，覆盖了六种酶学催化类型（氧化还原酶、水解酶、裂合酶、异构酶、转移酶和连接酶）。纳米酶从最初的检测应用起步，现已深入医学治疗、绿色合成、新能源开发、环境保护等多个领域的催化应用过程中。近年来，纳米酶被发现可以凭借其独特的催化性能调节生物学过程，并在体内应用研究中取得了显著进展，为疾病治疗开辟了新的路径。
氧化应激与多种疾病和健康问题有关，如癌症、心血管疾病、神经退行性疾病和糖尿病等。传统的氧化应激调节手段主要依赖于酶类或小分子药物，但难以完全满足临床需求。该综述介绍了纳米酶作为新型催化药物调节氧化应激的潜力。纳米酶以其稳定的结构和丰富的催化位点，展现了高且持久的催化活性。通过调整纳米结构（如尺寸、形态、表面改性等）或改变催化环境（如pH、温度、离子强度等），纳米酶能够展现出多样化的生物催化功能，相较于传统酶更易于根据应用需求进行定制与设计。此外，纳米酶还能实现自级联催化，这是酶或小分子难以实现的。例如，氧化铈和普鲁士蓝等纳米酶具备类超氧化物歧化酶和类过氧化氢酶的多酶活性，能够展现出增强的抗氧化特性。在外部信号（如光、超声波、磁场等）的刺激下，部分纳米酶还能表现出响应性调节的催化活性，使其在体内治疗作用上具备远程控制的可能性。此外，纳米酶的低免疫原性和易于在病灶部位富集的特性，使其在催化医学应用中相较于酶与小分子药物更具优势。
文章总结了纳米酶在特定体内应用场景中的积极成果，深入分析了影响治疗效果的主要限制因素，并探讨了成功设计的关键标准。根据纳米酶的总体催化作用，可将其分为抗氧化纳米酶和促氧化纳米酶两类。抗氧化纳米酶，如具有类超氧化物歧化酶和类过氧化氢酶活性的纳米酶，适用于治疗与氧化应激相关的病理状态，如辐射、药物和化学品引起的氧化损伤、缺血性中风和炎症性肠病。促氧化纳米酶则主要通过促进活性氧的生成来杀灭肿瘤和抗菌。随着具有独特生物催化活性的纳米酶的不断发现，纳米酶的体内应用研究正从以氧化还原酶活性为主的活性氧调节，拓展至更广泛的领域。例如，具有水解酶活性的纳米酶已展示了在体内辅助催化乙酰胆碱、尿酸和酒精等分子代谢的潜力。此外，经过精心设计，纳米酶还能在体内用于示踪或检测组织代谢状态以辅助疾病诊断。这些研究预示着纳米酶在生物医学领域将有更广阔的应用前景。
纳米酶的体内应用设计面临诸多挑战，包括克服生物成分对其稳定性和催化活性的干扰，实现对不同组织的靶向定位，以及选择性消除或产生特定类型的活性氧，同时保持生物相容性和生物降解性。由于活性氧在许多疾病中的作用尚不明确，制定有效的治疗策略更具挑战性。因此，全面了解纳米酶材料、生物系统、疾病微环境的特性及其相互作用，对于设计有效的治疗性纳米酶至关重要。文章在展望部分讨论了纳米酶催化性能、活性氧水平与疾病状态之间的关系，分析了体内应用研究及临床转化的挑战与前景，特别强调了精准定量监测体内催化反应过程以及确保纳米材料安全性是纳米酶成功临床转化的前提。
中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士、高利增研究员和范克龙研究员为该综述文章的通讯作者，张若飞博士为第一作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会等项目的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s44222-024-00205-1
（供稿：阎锡蕴院士团队）
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