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納米酶是一類蘊含酶學特性的納米材料，能夠在生理或極端條件下催化酶的底物，具有類似于天然酶的酶促反應動力學，并且可以作為酶的替代品用于人類健康。自從2007年首次報道以來，全球已經有55個國家的420個研究單位陸續報道了近1200種不同納米材料的納米酶活性，其催化類型涵蓋了氧化還原酶、水解酶、裂合酶和異構酶等。納米酶是多學科交叉融合的典范，2022年被IUPAC評為十大化學新興技術。經過十幾年發展，在從事化學、酶學、材料、生物、醫學、理論計算等多領域科學家共同推進下，如今納米酶已經成為新的研究熱點。

碳點(C-dots)作為一類光致發光納米材料，因其獨特的性質，在過去10年受到了極大研究關注。碳點具有粒徑小、易制備、成本低等優點，其表面豐富的含氧官能團，如羰基、羧基、羥基等，使碳點具有良好的水溶性和易于功能化的特點。因此，碳點在傳感、生物成像、發光二極管、疾病治療等方面顯示出巨大應用潛力。此外，碳點由于其小尺寸效應和豐富的活性位點而表現出催化活性，但以往所報道的碳點納米酶主要集中于其過氧化物酶活性，關于設計具有高抗氧化活性的碳點納米酶的報道較為罕見。研究團隊設計了具有超高類SOD活性的碳點納米酶（活性>10000 U/mg），并利用表面結構定向調控策略和理論計算揭示了其催化機制。研究結果表明碳點SOD納米酶的羥基和羧基能夠通過氫鍵與超氧陰離子結合，與π-體系共軛的羰基則奪取超氧陰離子的一個電子，產生氧氣和還原態碳點。還原態碳點被另一個超氧陰離子氧化回初始狀態并產生過氧化氫。體外實驗結果顯示碳點納米酶可選擇性靶向氧化損傷的細胞，并定位到線粒體，這對從源頭上清除胞內ROS非常有利。結合其高催化活性，成功地將碳點SOD納米酶應用于抵御體內缺血性中風引起的氧化應激，并取得良好的治療效果。此外，碳點SOD納米酶具有穩定性高、制備容易、成本低廉、易于規模化生產等優點，克服了天然酶的局限性，在工業、醫學、生物等領域展現出巨大的應用潛力。

碳點SOD納米酶的制備、催化機制及其在缺血性中風治療中的應用

上述研究成果以《解析碳點納米酶超氧化物歧化酶活性的催化機制》為題發表在《自然通訊》（Nature Communications）上，西安交通大學基礎醫學院高文慧、中科院生物物理研究所賀久洋、陳雷為共同第一作者，中科院生物物理研究所閻錫蘊院士、范克龍研究員，南開大學龐代文教授及西安交通大學基礎醫學院劉翠副教授和張明真研究員為論文共同通訊作者，西安交通大學基礎醫學院為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35828-2

生物體內存在級聯催化反應，即在連鎖的酶促反應過程中，前一反應的產物是后一反應的底物，每進行一次催化反應，就使調節信號產生一次放大作用。生物體內的級聯催化反應系統通過將多種酶限制在亞細胞區室中來確保準確的信號轉導和有效的代謝。通過降低擴散勢壘、提高中間體的局部濃度和改善整個反應的原子經濟性，獲得了優于傳統多步反應的優勢。課題組將高活性碳點SOD納米酶(CNDs)與鉑納米顆粒(Pt)結合，設計開發了一種具有高效級聯（SOD-CAT）納米酶活性的Pt@CNDs納米酶，不僅解決碳點SOD納米酶催化產物（H₂O₂）的氧化毒性問題，最終將自由基轉化為生物安全的水和氧氣，發揮級聯放大催化活性，而且在活體抗炎方面具有優異的效果。

Pt@CNDs級聯納米酶的合成及清除活性氧（ROS）

上述研究成果以《SOD/CAT級聯催化活性的Pt@CNDs納米酶用于抗氧化治療研究》為題發表在《今日納米》（Nano Today）上，西安交通大學基礎醫學院張玉潔、高文慧為共同第一作者，西安交通大學第一附屬醫院肝膽外科涂康生研究員及西安交通大學基礎醫學院張明真研究員和劉翠副教授為論文共同通訊作者。西安交通大學附屬醫院肝膽外科為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.101768

有效結合納米酶的理化特性和酶的活性將為疾病治療提供新思路。然而如何設計兼具良好理化性質和酶活性的納米酶仍是納米酶學中的一大難題。課題組開發了一種新型的熒光碳點（C-dot）超氧化物歧化酶（SOD）納米酶，其熒光發射波長為683 nm，絕對量子產率高達14%，并顯示出超過4000 U/mg的SOD酶活性，這為納米酶本身在體內的生物分布成像和治療炎癥疾病提供了巨大潛力。通過表面修飾，研究人員揭示了碳點表面的羧基、羥基和氨基都與SOD的酶活性密切相關。碳點表面的羧基、羥基和氨基均可通過氫鍵捕獲超氧陰離子。而碳點表面缺電子結構能夠奪取超氧陰離子的一個電子，生成了氧氣和還原態碳點。由于碳點上大π-體系（C=C/C=N）與其獲得的電子形成p-π共軛，從而穩定了中間產物（還原態碳點）。隨后，另一個超氧化物從還原態碳點中奪取一個電子，生成H₂O₂，而碳點的結構得以恢復。此外，碳點納米酶能有效地進入細胞，在線粒體中積累，并通過清除ROS和降低促炎癥因子的水平來保護活細胞免受氧化損傷。體內實驗結果表明碳點SOD納米酶具有炎癥靶向性，其對小鼠急性肺損傷的治療效果與臨床藥物地塞米松相當。這些研究成果將促進具有高催化活性和良好熒光性能的超小納米酶的開發，并推動其在炎癥性疾病治療中的應用。

熒光/SOD酶活性雙功能碳點的催化機制研究及其在急性肺損傷治療中的應用

上述研究成果以《紅色熒光發射的碳點超氧化物歧化酶納米酶用于改善急性肺損傷和生物成像》為題發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上，西安交通大學基礎醫學院副教授劉翠和華中科技大學協和深圳醫院胸外科范文斌副主任醫師為論文共同第一作者，深圳大學朱敏榮副教授、中科院生物物理研究所范克龍研究員和深圳市微納生物傳感器重點實驗室羅擎穎副研究員為論文共同通訊作者。西安交通大學基礎醫學院為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202213856

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)是一種慢性非特異性的腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis, UC)和克羅恩病(Crohn’s disease, CD)。UC局限于結腸，淺表黏膜炎癥向近端連續延伸，可導致潰瘍、大出血、中毒性巨結腸和暴發性結腸炎；而CD可累及消化道的任何部分，病變通常不連續，以透壁性炎癥為特征，可導致纖維化狹窄、瘺管和膿腫等并發癥。臨床上，IBD的治療手段主要包括非靶向療法(如氨基水楊酸鹽、糖皮質激素和免疫調節劑)和靶向生物療法(如抗TNF制劑)。遺憾的是，這些藥物僅為對癥治療而不能治愈疾病。因此，發展IBD診療新技術、新方法，將為其綜合防治提供有效依據，具有重大社會需求。

課題組與第四軍醫大學西京醫院梁潔教授團隊合作，通過熱溶劑法，利用谷胱甘肽和生物素合成了一種多功能碳點納米材料。該碳點具有良好的SOD酶活性，羥基自由基清除能力及較好的熒光性能。在IBD模型中，該納米酶不但可以改善腸道炎癥，且可以用于腸道在體熒光成像。因此，該研究拓展了抗氧化納米酶在IBD治療中的應用。

兼具熒光成像/SOD酶活性的碳點納米酶合成及其在IBD治療中的應用

上述研究成果以《具有類超氧化物歧化酶活性和紅色熒光的多功能碳點用于炎癥性腸病的治療》為題發表在《碳》（Carbon）上，西安交通大學基礎醫學院馬雅娜為論文第一作者，第四軍醫大學西京醫院梁潔教授，西安交通大學基礎醫學院劉翠副教授及張明真研究員為論文共同通訊作者。西安交通大學基礎醫學院為論文第一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.006