Chem. Sci.｜铜基单原子纳米酶原子级精准调控及其生物医学应用

研究背景

随着纳米酶领域的飞速发展，单原子纳米酶以其极高的原子利用率和明确的活性中心，成为连接天然酶与传统纳米材料的关键桥梁。其中，铜基单原子纳米酶因其独特且可调的多酶模拟活性，在生物医学领域展现出巨大潜力。近日，赣南师范大学周中高教授、彭东博士、硕士研究生黄姗姗等人联合中国科学院赣江研究院邱洪灯研究员在Chemical Science上在线发表了题为“Copper-based single-atom nanozymes: from fundamental insights to biomedical applications”的综述论文，阐述了铜基单原子纳米酶的多酶模拟活性、结构-性能调控策略及其在生物传感、抗菌、抗肿瘤和抗炎治疗中的前沿应用，并展望了其临床转化面临的挑战与未来方向。图1. 铜基单原子纳米酶的类酶活性、调控策略及应用的示意图

研究内容

铜基单原子纳米酶的核心优势在于其高度可调的催化活性。该综述首先系统地梳理了铜基单原子纳米酶不同类酶活性的催化反应过程和机制。包括类过氧化物酶（POD）、类氧化酶（OXD）、类特异性氧化酶（漆酶、半乳糖氧化酶、谷胱甘肽氧化酶、L-半胱氨酸氧化酶、NADH氧化酶）、类过氧化氢酶（CAT）和类超氧化物歧化酶（SOD）等活性。这些类酶活性不仅可以独立发挥作用，更可构建级联催化反应，实现协同增效的治疗效果。图2. 铜基单原子纳米酶的类POD、类OXD、类漆酶及类半乳糖氧化酶催化机理

（二）精雕细琢：原子级结构调控策略。

单原子纳米酶性能的精准调控源于结构的精细设计。该综述深入总结了提升铜基单原子纳米酶性能的三大策略：（1）配位环境调控：调控中心铜原子的氮配位数（如Cu-N₂、Cu-N₃、Cu-N₄）或引入硫、氧、硼、氯等杂原子，能显著改变其电子结构，从而优化对特定底物的催化效率和选择性。（2）载体与缺陷调控：载体材料（如氮掺杂碳、石墨烯、MOF衍生物）不仅用于稳定单原子，其导电性、孔隙结构和表面缺陷也能极大影响电子转移和传递过程，进而提升催化动力学。（3）外部刺激响应：利用近红外光、电场或X射线等外部刺激，可以实现对纳米酶活性的时空精准控制，实现按需启动、增强或切换催化功能，最大程度减少对正常组织的副作用。图3. 配位环境、载体材料等对类酶活性的影响

（三）大显身手：前沿生物医学应用。

凭借可设计的催化性能，铜基单原子纳米酶在高灵敏生物传感、高效抗菌治疗、协同抗肿瘤治疗以及智能抗炎干预等多个生物医学领域都得到了深入研究和探索。通过将原子级精度与生物医学功能相结合，铜基单原子纳米酶展现了纳米酶技术推动精准医疗的潜力。

图4. 铜基单原子纳米酶在高灵敏生物传感、高效抗菌治疗和协同抗肿瘤治疗等方面的应用

总结与展望