《Coordination Chemistry Reviews》：Nanozymes in respiratory medicine: From ultra-sensitive diagnostics to intelligent therapeutics
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呼吸道疾病中纳米酶的催化机制与诊疗应用研究，系统总结协调化学驱动的纳米酶设计及其在肺癌、急性肺损伤等呼吸道疾病中的诊断治疗策略，包括氧化应激调控、多酶 cascade 系统和 AI 辅助设计创新，探讨标准化评估、递送系统优化及长期安全性等挑战。
刘连华|袁晓华|穆罕默德·伊德里斯·汗|赵青|伊姆兰·沙基尔|孙旭平|罗凤鸣
中国四川大学华西医院高原医学中心，成都610041
摘要
呼吸系统疾病仍是全球发病率和死亡率的主要原因之一，其背后是氧化应激、炎症和感染的作用。传统的酶疗法受到稳定性和高成本的限制，而具有酶样催化活性的纳米酶则为这些问题提供了可调、稳健且多功能的解决方案。本文系统总结了纳米酶在协调化学驱动设计方面的最新进展及其在呼吸医学中的生物医学应用。重点讨论了类似氧化还原酶的纳米酶的催化机制和结构-活性关系，以及它们在肺癌、急性肺损伤、肺动脉高压等多种呼吸系统疾病中的检测、氧化还原调节和微环境重塑中的作用。此外，还介绍了涉及多酶级联系统、仿生涂层和人工智能（AI）辅助设计等新兴策略，以提高特异性、生物安全性和转化潜力。最后，讨论了标准化活性评估、通过生物屏障的递送以及长期安全性等关键挑战，并提出了整合AI、数字孪生建模和可穿戴诊断技术以建立呼吸系统催化医学智能框架的展望。
引言
呼吸系统疾病是全球主要的死亡原因之一，恶性疾病和传染性疾病都在加剧这一全球健康危机[[1], [2], [3]]。肺癌是最致命的恶性肿瘤，仅在中国每年就导致超过73万人死亡，占全球癌症相关死亡人数的近20% [4]。2019冠状病毒病（COVID-19）大流行进一步凸显了呼吸系统的脆弱性，估计导致1590万人额外死亡，并使全球预期寿命缩短了1.6年 [5,6]。肺炎仍然是五岁以下儿童的主要传染性疾病杀手，每年导致117万人死亡 [7]。同时，慢性阻塞性肺疾病（COPD）等慢性呼吸系统疾病影响了全球约5.3亿人，成为第三大死亡原因，并且与恶性肿瘤和儿童感染的负担日益交织。
尽管这些疾病的临床表现各不相同，但它们有许多共同的病理生理机制，包括氧化应激、细胞因子风暴和气道重塑。失调的活性氧（ROS）在从肺癌到急性呼吸道感染等多种疾病中起着核心作用，促进了炎症过度和疾病进展 [9]。
纳米酶是一种具有酶样特性的合成纳米材料，提供了一个有吸引力的替代方案。自2007年发现模拟过氧化物酶（POD）的磁铁矿纳米颗粒 [10] 以来，它们展示了广泛的催化多样性，包括ROS调节、抗菌作用和抗肿瘤功能。它们的稳定性和可调性使其特别适合用于呼吸系统应用，既可实现超灵敏的检测，也可用于针对ROS的疗法。
虽然之前的综述已经广泛涵盖了纳米酶在一般催化、诊断和肿瘤学中的应用，但专门针对呼吸医学的、以协调化学为中心的系统性讨论仍然不足。本文强调了肺部特有的挑战，如黏液屏障、肺泡-毛细血管交换和肺压动态，并将协调化学创新与肺部靶向诊断和治疗联系起来。第3节概述了基于协调化学的设计策略，以实现催化精准性和生物相容性。第4节总结了纳米酶在病原体、蛋白质、核酸和细胞检测中的诊断应用，强调了其临床适应性。第5节按ROS生成和ROS清除机制讨论了治疗进展，并探讨了转化准备情况、生物安全性和人工智能（AI）辅助设计。图1展示了纳米酶在呼吸系统疾病诊断和治疗中的应用示意图。
纳米酶的起源与定义
“纳米酶”一词最早由Scrimin及其同事在2004年提出，用于描述能够催化磷酸酯水解的三氮杂环烷基功能化金纳米颗粒，其作用方式类似于天然酶 [11]。2007年，Yan等人报告了四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒的POD样活性 [10]，这一发现引发了该领域的迅速发展。此后，已鉴定出1200多种不同的纳米酶 [12,13]。
纳米酶在呼吸医学中的催化活性
天然酶主要分为七类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、连接酶和转移酶 [42]。纳米酶主要模仿氧化还原酶，这在呼吸医学中尤为重要，因为氧化还原酶在维持细胞氧化还原平衡中起着关键作用。类似氧化还原酶的纳米酶，包括POD、OXD、SOD和CAT类似物，已成为近期诊断和治疗创新的基石。表1总结了相关内容。
基于纳米酶的呼吸系统疾病诊断方法
准确检测呼吸系统生物标志物对于理解疾病机制和指导临床护理至关重要。利用纳米酶的酶样活性，它们已成为检测病原体、蛋白质、核酸和细胞靶标的强大工具。在本节中，我们专门探讨了用于呼吸系统疾病的纳米酶诊断方法，考虑了气道采样、下呼吸道通路以及黏膜分泌物的干扰等因素。
纳米酶在呼吸系统疾病中的应用
纳米酶在呼吸医学中的治疗潜力源于它们通过协调驱动的催化反应调节氧化还原平衡的能力。根据催化方向的不同，纳米酶大致可分为两类：一类是产生ROS的系统，用于增强细胞毒性或辅助治疗；另一类是清除ROS的系统，用于减轻氧化和炎症损伤。
产生ROS的纳米酶包括那些被
结论与展望
纳米酶迅速成为应对呼吸系统疾病诊断和治疗挑战的变革性平台。通过模仿天然酶的催化功能，同时具备更高的稳定性、可调性和多功能性，纳米酶在材料创新与临床需求之间架起了桥梁。正如本文总结的那样，类似氧化还原酶的纳米酶在当前诊断应用中占据主导地位（例如，超灵敏的病原体检测等）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了中国博士后科学基金会（资助编号：2025M772131）和四川大学华西医院博士后研究基金（资助编号：2025HXBH026）的支持。I.S. 感谢麦地那伊斯兰大学科研处的支持（通过博士后出版计划编号4）。图1、图2和图11由BioRender制作。
