化學與材料科學 - 東北林大徐加廷教授團隊 AFM：基於天然產物衍生的錳單原子納米酶用於近紅外二區光子熱促進的催化抗癌研究－鑽石舞台

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近日，東北林業大學化學化工與資源利用學院徐加廷教授團隊、廣西醫科大學腫瘤醫院梁新強與北京林業大學付玉傑教授通過天然產物多巴胺與金屬離子的配位輔助熱解策略，設計了一種聚乙二醇化的介孔錳基單原子納米酶（PmMn/SAE），實現「一石二鳥」。實驗結果表明，PmMn/SAE可以通過光熱增強催化療法有效殺死癌細胞，實現光熱增強的納米催化治療。高溫煅燒過程進一步合成了具有原子分散的Mn單原子。由於原子分散的Mn活性物質，PmMn/SAE 表現出優異的多種酶性能，包括類過氧化氫酶、類氧化酶和類過氧化物酶性能。因此，PmMn/SAE不僅催化內源性H2O2分解產生O2緩解腫瘤內的缺氧，而且還可以將電子傳遞給O2產生超氧自由基殺死腫瘤細胞。同時，PmMn/SAE能夠觸發類芬頓反應，產生劇毒的羥基自由基，誘導癌細胞凋亡。在1064 nm近紅外二區光激發下，介孔碳球實現了良好的光熱轉換效率（22.1 %）。論文的第一作者為博士研究生葉金同學。

Scheme 1. Schematic illustration for the preparation of Mn-based SAzymes and the application mechanism of the synergetic PTT and catalytic therapy.

Figure 1.TEM images (a-b), HRTEM image (c), EDS element mappings (d), magnified HAADF-STEM image (e), and EDS spectrum (f) of mMn/SAE.

如圖Scheme 1所示是PmMn/SAE相關的合成過程和光熱增強納米催化治療的機理。圖1是合成的mMn/SAE的高倍TEM和HAADF-STEM圖像。圖1a-1c中，合成的mMn/SAE球的直徑大約為130 nm，且mMn/SAE納米球具有良好分散性。特別地是，在高溫處理後，HRTEM沒有檢測到明顯的Mn基納米顆粒或Mn團簇。在圖1d中，EDS映射確定元素的組成和分布，除了 C、N 和 Mn 外，在整個納米結構中沒有檢測到其他元素，這進一步驗證了 Mn 和 N 原子在碳納米載體上的均勻分布。進一步採用像差校正的原子分辨率高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡 (HAADF-STEM) 來驗證Mn是原子分散的。如圖 1e所示，用紅色圓圈標記的亮點對應於分散在介孔碳球上的孤立Mn原子，對應不同元素的質量分數分別是C（96.44 wt.%）、N（1.86 wt.%）和 Mn (1.70 wt.%) (圖1f)。為了進一步確定Mn元素含量，進行了電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)，其結果表明，Mn 含量約為 1.56 wt.%，這與之前的結果基本一致。

Figure 2. Normalized XANES of Mn K-edge spectra (a), Fourier transforms of k3-weighted Mn K-edge EXAFS spectra (b), and K3χ(k) space spectra fitting curve (c) of Mn foil, MnO2and mMn/SAE. FT-EXAFS fitting curves at R space of Mn K-edge for mMn/SAE (inset, schematic model illustrating the local structure of MnN4) (d). FT-EXAFS fitting curves at R space of Mn K-edge for Mn foil (e) and MnO2(f). WT-EXAFS plots of mMn/SAE (g), Mn foil (h) and MnO2(i).

為了在原子水平上探索Mn在碳載體上的局部電子結構和配位環境，進行了Mn K邊X 射線吸收近邊結構 (XANES) 和擴展X射線吸收精細結構 (EXAFS) 光譜. 如圖 2a 所示，XANES光譜表明進一步顯示Mn吸收邊位於Mn箔和MnO2之間，這驗證了Mn在 mMn/SAE中的氧化態 (Mnδ+，0<δ<4)。通過傅里葉變換 (FT) k3加權 EXAFS 驗證了 Mn-N 鍵的形成。如圖 2b 所示，進一步分析了 Mn 箔、MnO2和 mMn/SAE 的 FT-EXAFS 光譜（無相位校正）。對於 Mn 箔，位於 2.33 Å 的主峰被指定為 Mn-Mn 配位。關於MnO2，觀察到明顯的三個峰。其中位於 1.47 Å 的峰歸因於Mn-O 配位。此外，在 1.65 Å 和 2.48 Å 處觀察到另外兩個峰，這可歸因於Mn-Mn 配位。值得注意的是，對於mMn/SAE，位於 1.41 Å 的主峰被分配給Mn-N第一配位殼。重要的是，沒有發現第二層Mn-Mn配位，這證明Mn在mMn/SAE中僅以Mn-N的形式存在。該峰與Mn箔中的 Mn-Mn配位峰和 MnO2樣品中的 Mn-O配位峰不同，沒有觀察到明顯的Mn-Mn和Mn-O配位鍵，這進一步表明碳骨架上存在的是原子分散的Mn物種而沒有金屬的聚集。為了確定Mn的配位結構，在Mn K邊計算R空間中的定量EXAFS曲線擬合分析以獲得結構參數。Mn 箔、MnO2和mMn/SAE 的最佳擬合如圖2d-2f所示。就 EXAFS 擬合參數而言，計算出 mMn/SAE 的Mn-N平均配位數為4，這表明 Mn 原子與 mMn/SAE 結構中的四個N原子配位。此外，EXAFS振盪的小波變換 (WT) 為k和 R空間中的定位結構提供了更顯着的分辨率。對 Mn 箔、MnO2和 mMn/SAE 進行了WT-EXAFS分析，以驗證Mn原子在碳納米載體上的分散。值得注意的是，mMn/SAE的WT等值線圖在 R 和 K 空間中只有一個強度最大值為 3.8 Å-1，對應於 Mn-N 配位（圖 2g）。對於 Mn 箔，8.2 Å-1 處的較高強度最大值對應於金屬 Mn-Mn 配位的反向散射（圖 2h）。從 MnO2的 WT 等值線圖中觀察到 6.5 和 10.6 Å-1處的兩個明顯強度最大值，這歸因於 Mn-O 和 Mn-N 散射路徑（圖 2i）。因此，與 Mn 箔和 MnO2比，沒有檢測到明顯的Mn-Mn 信號。綜上，上述結果進一步證實了大量的 Mn 以原子地形式分散在樣品中。

Figure 3. Schematic representation of mimic enzymatic activity for mMn/SAE (a). Schematic of the proposed catalytic mechanism of mMn/SAE in acidic environment (b). The free energy diagrams of mMn/SAE during catalytic process in acidic environment (c). DOS of MnO2(d) and mMn/SAE (e).

mMn/SAE的模擬酶活性示意圖如圖 3a 所示。有趣的是，mMn/SAE可催化H2O2分解生成O2，並在 H2O2存在下將無色TMB氧化為藍色 oxTMB。並採用密度泛函理論 (DFT) 計算來揭示mMn/SAE 在原子水平上的催化機制。如圖 3b 所示，mMn/SAE在酸性環境中的催化機制可分為以下幾個步驟。首先，H2O2分子很容易被吸附到 mMn/SAE的單原子Mn 位點上，形成活化的 H2O2* (II)；圖 3c 中給出了H2O2在 mMn/SAE 和 MnO2上的相應吸附能分別為 -4.30 和 -3.89 eV，較低的吸附能表明 mMn/SAE 更容易與 H2O2分子結合。而活化之後的H2O2分子原子分散的Mn 位點均勻裂解，在單原子 Mn 位點處產生一個反應性 •OH 和一個羥基 (OH*) (III)。隨後，在此過程中形成反應性 •OH（IV）。值得注意的是，步驟 IV 可以被視為速率決定步驟，其中 mMn/SAE 的能壘遠低於 MnO2納米酶的能壘（-3.12 對 -2.79 eV），表明 mMn/SAE 更有利於生成 •OH。隨後，*OH 在酸性條件下與 H+反應生成 *H2O（V）。最後，mMn/SAE和MnO2在 H2O分子解吸後都恢復到初始狀態（I）。恢復的 mMn/SAE 在下一個循環中不斷激活另一個H2O2分子以生成 •OH。除此之外，MnO2和mMn/SAE 的態密度 (DOS) 進一步闡明催化機理。如圖 3d 和 3e 所示，與MnO2相比，mMn/SAE在費米能級附近觀察到更高的 DOS 和新的雜化電子態，這表明在mMn/SAE和H2O2之間發生了更強大的相互作用。DFT 結果表明，mMn/SAE 可以通過催化H2O2的解離循環形成•OH，從而產生有效的過氧化物酶的催化活性。由於mMn/SAE出色的催化活性及其對酸性條件的響應，它可以被視為一種很有前途的納米催化劑，用於腫瘤催化治療。

通過ESR光譜進一步證實了產生的活性氧（•OH 和•O2-）。由於產生多種 ROS（•OH 和•O2-），PmMn/SAE被作為一種有效的納米酶用於腫瘤催化治療。如圖5所示，小鼠的活體治療結果進一步表明，PmMn/SAE能夠通過催化治療有效抑制腫瘤的生長，並且在1064 nm激光照射後進腫瘤進一步得到抑制，二者表現出最佳的協同治療的效果。此外，H&E染色和小鼠生化指標測試結果顯示，主要組織器官沒有明顯損傷，PmMn/SAE顯示了現出良好的生物相容性。Ki67和TUNEL染色進一步證實了，PmMn/SAE+NIR-II組有更多的癌細胞發生凋亡，並且能夠有效的抑制癌細胞的增殖。其實驗結果表明基於Mn單原子納米酶的納米催化化療是一種很有前途的腫瘤治療策略。

Figure 4. Schematic illustration of therapeutic outcome of PmMn/SAE administrated by injection on U14-tumor-bearing mice (a). Body weight changes of U14 tumor-bearing mice (b) and photographs of representative tumors (c) under different treatments in 14 days. H&E (d), TUNEL (e) and ki67 (f) stained images of tumor tissues in control (1), NIR-II (2), PmMn/SAE (3) and PmMn/SAE plus NIR-II (4) treated groups after 14 days of treatment (Scale bar: 100 μm) (Error bars denote the standard deviation (n = 5, mean ± SD).

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202206157

作者簡介

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徐加廷，東北林業大學教授，博士生導師。Chinese Chemical Letters雜誌青年編委，Materials雜誌客座編輯，Frontiers in Chemistry雜誌審稿編輯。2019年畢業於哈爾濱工程大學材料科學與工程專業，同年進入東北林業大學化學化工與資源利用學院從事教學科研工作。主要從事發光納米功能材料和林源納米藥物領域的研究。目前在Advanced Functional Material,ACS Nano,Advanced Science,Nano Today,Coordination Chemistry Reviews,Journal of Materials Chemistry A,Chemical Science,Biomaterials,ChemistryofMaterials和Small等國際期刊發表SCI論文50餘篇，Google引用3000餘次。以第一/通訊作者發表SCI論文20餘篇（ESI高被引4篇）。申請國家發明專利14項（授權6項），參編英文專著1部。主持科研項目累計近350萬元。課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/xu_jiating/people/584

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