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高利增研究组开发了一种基于红细胞的单原子纳米酶

发布时间:2023年12月12日

  纳米酶是一类具有类酶催化性能的纳米材料,是新一代人工酶,在生物医学领域有着广泛的应用前景。自2007年首次发现四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒具有类过氧化物酶活性以来,铁基纳米酶在肿瘤催化治疗和抗菌等方面受到广泛关注。然而,由于铁原子的利用率较低,纳米氧化铁的催化效率往往低于天然酶(如辣根过氧化物酶,HRP)。为了提高铁原子的利用率,人们引入单原子设计用于构筑更加精确的活性位点,通过模拟天然酶的铁卟啉配位结构,显著提高了铁的催化效率和纳米酶的活力。例如,在铁单原子纳米酶中构建诸如FeN4、FeN5或FeN3P等活性位点,其催化效率和动力学可与天然酶相媲美。然而,以铁盐作为铁源与碳氮化物配位,或在金属-有机框架(MOFs)中取代金属,然后再进行热解碳化的合成方法,除了形成单原子铁外,往往还会形成较多的铁团簇或铁单质,并非完全处于单原子状态。这种不可控的铁原子状态不仅影响了纳米酶的类酶活性,也使得精确评估其催化效率变得困难。

  为了解决这一问题,高利增研究组提出了一种红细胞模板化策略,以其丰富的血红蛋白作为铁源制备铁单原子纳米酶。其基本理念是改造红细胞内源铁模拟辣根过氧化物酶(HRP)的催化活性中心,由运输氧功能转化为催化功能。每个红细胞含有约2.6亿个血红蛋白,每个血红蛋白含有4个包含铁原子的环状血红素,这使它们成为单原子铁的理想来源,用以制备模拟HRP活性的纳米酶。

  为了证明该假设,研究者将细胞固定、盐化和热解碳化等过程相结合,以红细胞作为模板,合成了具有均匀单原子Fe的纳米酶。如图1所示,这种红细胞模板纳米酶(Erythrocyte-templated nanozymes,ETN)表现出类过氧化物酶(POD)活性,催化H2O2产生羟基自由基(·OH),并且可以通过近红外(NIR)光照射进一步增强。此外,制备的ETN呈蜂窝状结构,可作为一种纳米海绵促进血液凝固。这些特性使ETN成为一种多功能材料,促进感染伤口的愈合。相关研究成果以"An Erythrocyte-Templated Iron Single-Atom Nanozyme for Wound Healing"为题在线发表于《Advanced Science》杂志。

图1. 以红细胞为模板制备的单原子纳米酶促进感染伤口愈合

  中国科学院最新beat365下载高利增研究员和北京交通大学张金华教授为论文通讯作者,中国科学院最新beat365下载博士研究生王晓楠、暨南大学与北京交通大学联合培养博士生刘婷为本文共同第一作者,中国科学院最新beat365下载范克龙研究员为该研究给予了指导和帮助。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

  文章链接:https://doi.org/10.1002/advs.202307844

(供稿:高利增研究组)

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