摘要：单原子纳米酶（SAzymes）是一类具有类酶催化活性（氧化酶（OXD）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT））的无机纳米材料，在肿瘤治疗领域有广阔的应用前景。SAzymes的明确结构可通过经验和理论计算很好地预测。然而，金属中心

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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年01月13日 江苏。

【研究背景】

单原子纳米酶（SAzymes）是一类具有类酶催化活性（氧化酶（OXD）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT））的无机纳米材料，在肿瘤治疗领域有广阔的应用前景。SAzymes的明确结构可通过经验和理论计算很好地预测。然而，金属中心种类和配位环境对类酶活性的影响是可变的，通过人工实验筛选催化活性具有挑战性。高通量筛选可以快速筛选出具有最佳类酶活性的SAzymes活性中心结构，从而使其在肿瘤治疗中得到更好的应用。

【研究内容】

北京大学口腔医院王宇光/清华大学化学系王定胜/浙江工业大学化学工程学院王式彬等人提出了一种结合高通量DFT计算和实验验证的方法，用于高效筛选和合成具有抗口腔鳞状细胞癌(OSCC)活性的SAzymes（图1）。首先，对130种不同的结构进行了全面的理论计算筛选，其中包括各种过渡金属单原子和N-P-S配位环境。通过系统的筛选，我们确定了四种有前景的单原子纳米酶，它们以Mn、Fe、Co和Ni为金属中心，具有明确的N3P1S1配位结构，随后计算了类似OXD过程的催化反应活性。深入的电子结构分析表明，O2的化学吸附作用主要是M-dz2与O2-2p轨道的相互作用，而M-dz2轨道的分布在捕获和活化O2分子中起着重要作用。在这些理论筛选结果的指导下，我们成功合成了具有M-N3P1S1结构的单原子催化剂（M：Mn、Fe、Co、Ni）。接下来，我们测试了这四种AOC-M SAzyme的类酶催化活性，并通过酶活性实验进一步筛选出了具有最佳催化活性的AOC-Co SAzyme，实现了单原子纳米酶在OSCC治疗中的应用。在体内和体外实验中，AOC-Co SAzyme最终表现出了卓越的抗肿瘤活性。这项研究凸显了理论筛选在单原子药物领域的变革潜力，为进一步推动人工酶作为天然酶的替代品提供了新途径，为提高口腔癌治疗效果带来了令人振奋的前景。

图1. 从高通量筛选到阐明构象关系的工作流程图。

为了进一步验证高通DFT筛选结果，我们进行了实验验证。通过溶剂热法合成了ZIF-8，并将其作为硬模板和含N碳源。通过控制聚合反应，将ZIF-8封装在含有N、P、S元素的聚合物中，并通过N2流热解过程形成了AOC-M SAzyme。通过球差电镜和同步辐射等一系列表征确认了SAzyme的单原子分散和明确的N3P1S1配位结构（图2，图3）。

图2. AOC-M SAzyme的合成示意图及电镜表征。

图3. AOC-M SAzyme的同步辐射表征。

接下来，进一步研究了AOC-M SAzyme的多种类酶催化活性。四种AOC-M SAzyme都表现出优异的多酶活性，其中AOC-Co SAzyme表现出较高的类OXD、CAT和GSHOx活性；相比之下，AOC-Fe SAzyme表现出较高的POD和SOD 类酶活性。值得注意的是，AOC-Co SAzyme能在肿瘤部位产生大量ROS，从而有效抑制肿瘤生长（图4）。

图4. AOC-M SAzyme的酶催化活性测试及验证。

根据上述体外实验结果，AOC-Co SAzyme被认为是下一代肿瘤催化治疗的理想纳米酶药物。因此，构建了舌鳞癌（TSCC）动物模型，以研究AOC-Co SAzyme对口腔癌的催化治疗作用。在整个治疗过程的观察期间，各组小鼠的体重在第一周保持相对稳定。然而，PBS、CN组在治疗7天后体重开始明显下降。这表明，在观察期间，TSCC位置的特异性可能会导致小鼠进食困难和营养不良，或因肿瘤负担过重而出现恶病质，从而导致小鼠体重迅速下降甚至死亡。与此形成鲜明对比的是，AOC-Co SAzyme组小鼠的体重不仅没有减少，甚至开始增加。AOC-Co SAzyme组小鼠体重的稳定性也表明，AOC-Co SAzyme明显抑制了肿瘤的生长，最终减轻了肿瘤对小鼠摄食行为和整体身体状况的不良影响。存活率分析进一步显示，PBS组和CN组小鼠在治疗后第12天首次死亡，随后PBS组小鼠连续两次死亡，而AOC-Co SAzyme治疗的小鼠在整个观察期间没有死亡。这表明AOC-Co SAzyme具有很强的抗肿瘤活性，能有效延长小鼠的存活时间（图5）。

图5. AOC-M SAzyme在小鼠模型中的抗肿瘤作用研究。

【总结】

总而言之，本研究采用高通量DFT计算与实验合成相结合的方法，探索了具有酶催化活性的单原子催化剂用于治疗口腔鳞癌。根据DFT的高通量筛选结果，构建了130个由不同过渡金属单原子和N-P-S配位环境组成的结构，并对这些结构进行了逐步筛选，其中结合能是评估这些结构热力学稳定性的关键描述因子。根据筛选结果，合成了具有选定结构（Mn-N3P1S1、Fe-N3P1S1、Co-N3P1S1、Ni-N3P1S1）的AOC-M SAzyme，并通过各种表征技术证明了其单原子结构。四种 AOC-M SAzyme都表现出优异的多酶催化活性，其中AOC-Co SAzyme表现出较高的 OXD、CAT和GSHOx类酶活性；相比之下，AOC-Fe SAzyme表现出较高的类POD和SOD活性。值得注意的是，AOC-Co SAzyme能在肿瘤部位产生大量 ROS，从而有效抑制肿瘤生长。因此，该研究表明了构建的AOC-M SAzyme具有良好的酶催化活性，并在体内和体外显示出良好的口腔癌治疗效果。

来源：科学小课堂