MXene基复合材料作为生物医学中的纳米酶的应用前景

MXene-Based Composites as Nanozymes in Biomedicine: A PerspectiveSiavash Iravani*, Rajender S. Varma*Nano-Micro Letters (2022)14: 213

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00958-7

本文亮点

1. 开发具有比天然酶更低的制造成本、更高的催化稳定性和易于修饰的纳米酶备受关注。

2. MXene基纳米酶由于其独特的催化和物理化学性质，在生物和纳米医学领域引起了广泛关注。

I 生物医学前景
1.1 治疗

图1. A 在NIR-II生物窗口(体内)中用于靶向癌症纳米治疗的仿生光诱导等离子体组装的制备过程；B 铂纳米酶的过图1. A 在NIR-II生物窗口(体内)中用于靶向癌症纳米治疗的仿生光诱导等离子体组装的制备过程；B 铂纳米酶的过氧化氢酶和氧化酶样性能；C 药物释放和肿瘤抑制的相关机制(I–V)。

为了克服肿瘤微环境中纳米酶的低活性问题，构建了具有光增强双酶性能(促进过氧化氢酶和过氧化物酶)的MXene(Ti₃C₂)/CeO₂聚乙烯吡咯烷酮纳米复合材料，用于协同肿瘤治疗(图2)。可减轻肿瘤微环境中的缺氧，升高氧化应激，还表现出了降解谷胱甘肽以改善肿瘤消融的优异能力。这些纳米酶可以通过肿瘤微环境中过氧化氢(H₂O₂)的催化分解产生大量·OH，导致肿瘤细胞凋亡。光热效应和双酶样功能可以改善肿瘤纳米治疗(肿瘤生长的抑制作用是 ~ 92%)，为高效的纳米酶催化治疗提供了重要参考。类似地，通过加热以及ROS、O₂形成和谷胱甘肽还原的增加，对肿瘤进行光热消融可以缓解肿瘤的缺氧，并促进负载MnO₂纳米酶的MXenes的催化治疗。这些纳米系统可用于双峰光热化学动力学癌症治疗，具有良好的生物相容性和高效的肿瘤消融。

图2. 具有光热效应、强催化活性和谷胱甘肽降解能力的MXene(Ti₃C₂)/CeO₂聚乙烯吡咯烷酮纳米复合材料显示出适用于高温增强肿瘤联合治疗(体内)。DMSO：二甲基亚砜、PTT：光热疗法、GSH：谷胱甘肽、PVP：聚乙烯吡咯烷酮。

由2D碳化钒(V₂C)MXene构建的基于MXene的纳米酶(命名为MXenzyme)可以作为硫醇和谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶、卤代过氧化物酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的显著多功能无机类似物，模拟天然存在的酶以及细胞内抗氧化防御系统，以对抗由ROS介导的严重氧化损伤，如脂质过氧化、DNA损伤和蛋白质羰基化。MXene基纳米酶表现出了高生物相容性(体外和体内)，并对氧化应激具有有效的细胞保护作用(体外)，引入MX酶用于氧化还原稳态而不干扰内源性抗氧化状态。然而，未来的探索应侧重于减轻ROS介导的损伤，为神经退行性疾病以及ROS介介导的损害/炎症的体内治疗铺平道路(图3)。由于酶介导的肿瘤部位ROS的增强是调节细胞内氧化还原状态以治疗癌症的有效技术之一，设计了一个伪装仿生级联酶纳米反应器，部署了MXene(Ti₃C₂)纳米片，用于联合肿瘤光疗/酶动力疗法以及脱氧活化化疗(缺氧活化化疗)。将氯过氧化物酶和葡萄糖氧化酶的化学缀合在负载有替拉帕胺(一种抗癌药物)的MXene纳米片上。设计的MXene基纳米复合材料可以嵌入具有高表达CD47(meTGCT)的纳米尺寸癌细胞起源的膜囊泡中。在将纳米系统内化到肿瘤细胞中后，葡萄糖氧化酶和氯过氧化物酶的级联反应产生次氯酸(HClO)，用于高效的酶动力学治疗。此外，激光照射加速了催化反应的速度，并增加了单线态氧(1O₂)的形成。值得注意的是，局部缺氧环境和酶动力疗法导致的缺氧激活了化疗的脱氧敏感前药。

图3. A V₂C-MX酶用于治疗ROS介导的损伤，其可以有效催化V₂C-O₂。−· 将H₂O₂分解为O₂和H2O，并消除·OH；B MX酶的超氧化物歧化酶(SOD)样性能的相关机制；C MX酶的过氧化氢酶(CAT)样性能的相关机制；D MX酶谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)样性能的相关机制。POD：过氧化物酶、NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、GR：谷胱甘肽还酶；GSSG：氧化型谷胱甘苷；GSH：还原型谷胱甘肽。

1.2 诊断

图4. 由6-巯基己醇(MCH)、Au-NPs、MXene(Ti₃C₂Tᵪ)和玻碳电极(GCE)构建的电化学生物传感器的工作原理。

MXene基纳米复合催化剂被设计用于细胞内生物传感。在一项研究中，使用Au、Pt和Ti₃C₂Cl₂组装基于MXene的纳米复合材料，提供了过氧化物酶和氧化酶模拟活性。它们作为比率型检测平台，用于原位检测HeLa细胞释放的H₂O₂(检测范围 = 50–10000 μM，LOD = 10.24 μM)和谷胱甘肽的比色识别(检测范围 = 0.1–20 μM，LOD = 0.07 μM)。此外，基于MXene(Ti₃C₂Tᵪ)衍生的TiO₂/碳量子点的纳米系统是通过水热处理微小且很少分层的MXene纳米片来制备的，用于特定的基于纳米酶的比色法。碳基体表面TiO₂中的氧空位促进了溶液中O₂的吸附，并产生ROS，在不存在H₂O₂的情况下快速氧化3，3′，5，5′-四甲基联苯胺。在插入谷胱甘肽后，氧化形式的3，3′，5，5′-四甲基联苯胺能够恢复为3，3’，5，5′-四甲基联苯胺，导致UV/Vis吸光度值降低(在652 nm处)。这种基于纳米酶的测定显示出改进的特异性和优异的灵敏度，LOD为~ 0.2 μM，从而为生物培养基(如人血清)中谷胱甘肽的特异性检测打开了新的窗口。

图5. 基于CRISPR-Cas12a的比色生物传感器的原理设计用于使用具有催化性能的MXene探针DNA Ag/Pt纳米杂交物特异性检测乙型肝炎病毒(HBV)DNA。

TMB:3,3ʹ，5,5 \697-四甲基联苯胺。氮和硫共掺杂的MXene(Ti₃C₂)纳米片具有优异的过氧化物酶样活性和电化学活性，用于构建用于尿酸敏感检测的比色和电化学联合传感平台。结果表明，氮和硫掺杂提供了额外的活性位点，提高了电子传输效率，提供了具有良好分析性能的平台。尿酸的特异性检测范围为2-400 μM，检测限为~ 0.19 μM。此外，MXenes的猝灭性能通过其与UiO-66金属-有机框架中的单原子点钴(Co)催化剂的组合使用来说明，该催化剂用于在免疫色谱测试条平台上开发心肌肌钙蛋白I的免疫测定技术。这些Co单原子点催化剂对鲁米诺化学发光有显著的增强作用。结果，心肌肌钙蛋白I定量的动态范围为~ 1.0–100 pg mL⁻1，LOD为~ 0.33 pg mL⁻1。