多功能生物配体修饰增强Mn MOF多酶活性实现高效肿瘤治疗新策略

　　针对纳米酶催化活性低、选择性差及表面修饰易削弱活性等问题，研究人员开展多功能生物配体（PEI/HA）修饰Mn MOF纳米酶（HPMZIF）的研究。该纳米酶兼具增强的POD、OXD、GPx多酶活性、肿瘤靶向性和生物相容性，通过级联放大焦亡、化疗和化学动力学治疗（CDT），显著抑制4T1移植瘤生长，为设计高活性多功能纳米酶提供新思路。

　　

在生物医学领域，纳米酶作为天然酶的替代品，因其低成本、可控催化活性和高稳定性等特点，在癌症治疗等领域展现出广阔应用前景。然而，大多数纳米酶存在催化活性低、选择性差等瓶颈问题，其持续活性可能导致体内过度催化并对正常组织造成不良反应，严重制约临床转化应用。尽管单原子纳米酶（SANs）通过原子级分散的活性中心显著提升催化效率，但其高活性可能被免疫系统识别为外来物质引发炎症反应。此外，传统表面修饰策略在改善纳米酶靶向性的同时，往往导致催化活性下降。这些矛盾凸显了开发兼具高催化活性和特异生物功能纳米酶的迫切需求。

针对这一挑战，柯俊峰等人在《Journal of Nanobiotechnology》发表的研究工作中，提出了一种创新的纳米酶设计理念：利用多功能生物配体修饰策略，同步增强纳米酶的多酶活性和生物功能。研究人员通过聚乙烯亚胺（PEI）和透明质酸（HA）对锰基金属有机框架（Mn MOF）进行协同修饰，构建了新型纳米酶HPMZIF。该平台不仅解决了表面修饰与催化活性的矛盾，还实现了肿瘤靶向、药物控释、多酶活性增强等多重功能的集成。

本研究采用的主要技术方法包括：通过Mn²⁺/Zn²⁺与二甲基咪唑的自组装过程合成Mn MOF纳米酶（MZIF），经PEI包覆改善生物相容性获得PMZIF，最后通过HA表面修饰构建靶向纳米平台HPMZIF；利用密度泛函理论（DFT）计算分析催化增强机制；通过4T1乳腺癌细胞系和移植瘤模型评估体外抗肿瘤活性及体内治疗效果；采用Western blot、流式细胞术等技术检测细胞焦亡相关蛋白表达及免疫应答。

Synthesis of HPMZIF NPs and changes in enzyme activity

研究人员通过系统表征证实PEI和HA修饰显著增强了纳米酶的多酶活性。紫外-可见吸收光谱显示，PEI修饰使过氧化物酶（POD）和氧化酶（OXD）样活性显著提升，HA进一步增强了OXD和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）样活性。DTNB探针实验表明GSH消耗能力明显增强。DFT计算揭示PEI通过固定H₂O₂和OH（*代表吸附物质），将·OH生成的能垒从1.64 eV降至0.76 eV，从而显著提升POD样活性。X射线光电子能谱（XPS）证实修饰过程导致Mn⁴⁺含量增加，这是OXD和GPx样活性增强的结构基础。

Characterization of HPMZIF NPs

扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）显示HPMZIF为约160 nm的球形颗粒，水合粒径为202±26 nm。zeta电位分析表明PEI修饰使电位从19.1 mV升至28.3 mV，HA修饰后降至19.2 mV。元素映射证实C、N、O、Zn、Mn均匀分布，O元素外层定位提示HA成功包覆。X射线衍射（XRD）谱表明Mn²⁺掺杂未改变ZIF-8晶体结构。甲基蓝（MB）降解实验证明HPMZIF在H₂O₂存在下高效产生·OH，且具有时间和浓度依赖性。

In vitro degradation characteristics

降解实验显示HPMZIF在pH 5.5条件下2小时即显著崩解，而在中性条件下24小时仍稳定。阿霉素（DOX）负载率达10.1%，pH 5.5环境下12小时释放45%药物，显著高于pH 7.4条件下的10%。荧光猝灭与恢复实验进一步验证了pH响应释放特性。

In vitro anti-tumor activity

细胞摄取实验显示HA修饰显著增强4T1细胞对纳米颗粒的内吞。DOX@HPMZIF处理组细胞存活率急剧下降，而对正常人脐静脉内皮细胞（HUVEC）无显著毒性。克隆形成实验表明长期抗癌潜力。DCFH-DA检测显示DOX@HPMZIF组产生最强ROS荧光，流式细胞术证实氧化应激水平最高。钙黄绿素AM/PI染色和凋亡实验证明该组具有最强肿瘤杀伤能力和协同治疗效果。

In vitro pyroptosis assay

Zn²⁺探针TSQ显示DOX@HPMZIF组荧光最强，细胞出现肿胀和球形化典型焦亡形态。Western blot检测到GSDMD-N和cleaved caspase-1表达上调，证实caspase-1/GSDMD依赖的焦亡通路激活。乳酸脱氢酶（LDH）和白细胞介素-1β（IL-1β）释放显著增加。JC-1荧光探针显示线粒体膜电位（MMP）严重受损。钙网蛋白（CRT）、高迁移率族蛋白B1（HMGB1）和三磷酸腺苷（ATP）释放增加，证明免疫原性细胞死亡（ICD）效应。

Biodistribution in vivo

体内分布显示IR-783标记的HPMZIF在注射后6小时肿瘤荧光强度达到峰值，且显著高于非靶向组，证实HA修饰赋予优异肿瘤靶向富集能力。

In vivo anti-tumor therapy

4T1荷瘤小鼠实验表明DOX@HPMZIF组肿瘤生长抑制最显著，瘤重最小。H&E染色显示大量癌细胞凋亡坏死，Ki67和TUNEL染色证实增殖抑制和原位凋亡。CD4⁺/CD8⁺ T细胞浸润增加，表明免疫微环境改善。

Biosafety of HPMZIF NPs

溶血实验显示2.5-200 μg/mL浓度无显著溶血。小鼠体重无显著变化，主要器官H&E染色未见损伤。丙氨酸转氨酶（ALT）、天冬氨酸转氨酶（AST）、碱性磷酸酶（ALP）、肌酐（CREA）、尿素（UREA）和尿酸（UA）水平正常，证明良好生物安全性。

该研究通过创新性的生物配体修饰策略，成功构建了兼具高催化活性和多重生物功能的Mn MOF纳米酶。PEI修饰不仅增强生物相容性和药物滞留能力，还通过降低能垒显著提升POD、OXD和GPx样活性；HA修饰赋予肿瘤靶向功能并进一步增强OXD和GPx活性。该纳米平台通过Zn²⁺ overload诱发焦亡、Mn²⁺ Fenton反应促进化学动力学治疗（CDT）以及DOX化疗的协同作用，实现了高效肿瘤抑制。同时激活cGAS-STING通路和ICD效应，为免疫治疗提供有利微环境。这项工作为解决纳米酶催化活性与生物功能难以兼得的难题提供了可行方案，为纳米酶的临床转化提供了新视角。