Nanozymes for biomedical applications in orthopaedics (Open Access)
Anqi Lin（林安琪）, Shujie Liu（刘淑杰）, Hui Wei（魏辉）*
Keywords: Nanozymes; Artificial enzymes; Orthopaedics; Nanomedicine; Nanomaterials
DOI: 10.1016/j.partic.2022.08.009
自2007年阎锡蕴教授团队首次报道了四氧化三铁纳米颗粒具有类辣根过氧化物酶(HRP)催化活性以来，“纳米酶”这一概念逐渐走入了人们的视野，其结合了“纳米材料”和“酶”的概念，用来代指具有类酶活性的纳米材料。纳米酶的发现改变了人们认为无机纳米材料是一种生物惰性物质的传统认知，具有打破无机与有机世界壁垒的重要意义。纳米酶与天然酶相比，在制备成本、性质稳定性等方面具备明显优势，而相较于传统纳米材料，纳米酶又具有更加优异的催化活性和生物相容性。近年来纳米酶已广泛应用于生物传感、分子检测、生物成像和医学治疗等多个领域。在骨科疾病应用方面，纳米酶因其独特的性质特点，在传统的治疗方式基础上又延伸出了多种潜在可能。鉴于此，受PARTICUOLOGY编辑部邀请，南京大学魏辉教授研究团队撰写并发表了题为“Nanozymes for biomedical applications in orthopaedics”的综述文章，总结了近年来纳米酶在骨科疾病领域运用的亮点工作。
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图文导读
首先，作者概述了纳米酶的主要催化活性分类及其活性相关的治疗手段，总结出目前大部分纳米酶可通过调控生物体内活性氧(ROS)、活性氮(RNS)和细胞内特定生物分子的水平进而抑制疾病的发展。纳米酶的抗氧化性通常来源于类超氧化物歧化酶(SOD)能力、类过氧化氢酶(CAT)能力、类谷胱甘肽过氧化物酶能力和羟自由基消除能力；而其促氧化能力主要源于类过氧化物酶(POD)和类氧化酶(OXD)活性。此外，一些具有类水解酶活性的纳米酶也在骨科疾病治疗方面展开了初步的应用探索。
图 1. 纳米酶在骨肉瘤治疗方面的应用。(a) 具有抗癌和骨再生能力的3D打印支架; (b) 肿瘤体积曲线; (c) 新生骨组织区域定量分析; (d) 使用热疗增强芬顿反应的示意图; (e) 肿瘤体积曲线; (f) 植入区域颅骨生长情况。
进而，作者从疾病种类的角度列举了纳米酶对骨科疾病的治疗应用，包括骨关节炎、类风湿类关节炎、骨质疏松症、骨组织再生、痛风、骨髓炎和骨肉瘤在内的七类常见骨科应用。针对同一种疾病内不同的亚分型，作者进一步进行了病理现象及纳米酶应用方式的比较说明。可以发现，针对不同的疾病病理类型，研究者们开发出了性质各异的纳米酶，同时搭配不同的治疗媒介，实现了纳米酶治疗效果与生物相容性的最佳表现。此外，作者梳理了多种疾病治疗时的侧重点，例如对于骨肉瘤治疗，考虑到骨在人体生理活动中的重要性，在抗肿瘤的同时实现骨组织的再生对于良好预后的实现是非常必要的。
图 2. 具有磷酸酶活性的纳米酶。(a) CeO2催化 pNPP 去磷酸化的图示; (b) 活化能和转换频率与氧空位表面密度的相关性; (c) 合成温度对于氧化铈纳米酶的类碱性磷酸酶活性调控; (d) 各种具有类磷酸酶活性的纳米酶对应相应底物的反应半衰期热图; (e) Ce-FMA对不同底物的pH依赖性水解活性。
最后，作者对如何拓展纳米酶在骨科治疗方面的应用进行了讨论。一方面，目前纳米酶主要通过SOD、POD、CAT等与ROS相关的类酶活性参与骨科疾病的治疗，而对其模拟水解酶、尿酸酶等活性进行应用的探索则较少。因此，进一步拓展纳米酶应用于疾病治疗的类酶活性种类，并将其与生理调控策略相结合，相信可以大大提高治疗效率。另一方面，虽然纳米酶已在多种疾病模型中取得了优异的治疗效果，但尚有疾病模型有待挖掘，如非菌性松动、细菌性松动等。此外，作为一个新兴领域，尽管纳米酶的发展已经取得了令人鼓舞的成果，但仍然面临着一些困难与挑战，例如进一步优化纳米酶的催化活性、丰富其参与生理功能调控的途径以及改善纳米酶的生物相容性等。
综上，在本篇综述中作者介绍了纳米酶在骨科领域的应用情况，并对其后续的发展趋势以实现更好的应用效果展开了讨论，对相关领域的研究具有一定的启发和促进意义。
通讯作者
魏辉，南京大学教授、博士生导师。国家海外高层次人才计划入选者，国家优秀青年基金获得者，英国皇家化学学会会士（FRSC），任中国生物物理学会纳米酶分会秘书长等职，任美国化学学会（ACS）年会纳米酶分会主席。致力于纳米酶前沿领域、生物纳米医学以及体外诊断与个性化诊疗研究。自开展研究工作以来，在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Chemical Society Reviews、Nano Letters、Analytical Chemistry、Chemical Science等国际权威学术期刊上发表100篇余研究论文，论文被引用14000余次，H-index为55。有多篇文章被选为封面论文、“高被引用论文（ISI Highly Cited Paper）”、“研究前沿（Research Front）”、“热点论文（Hot Paper）”等。研究成果多次被Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Science Translational Medicine等学术期刊引述；被英国皇家化学学会（RSC）、Nature等网站专题报道和述评，产生了广泛的学术影响。
撰稿：刘淑杰
审阅：林安琪
编辑：《颗粒学报》编辑部