磁响应型天然酶-纳米酶级联体系的构建及活性调控机制研究

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多酶级联催化在生物医学、工业生产、环境保护等领域应用广泛。调控多酶之间的动力学匹配是实现高效级联催化的关键。基于纳米材料构建的多酶体系不仅可以实现天然酶-纳米酶级联反应,还可以响应外源刺激,这为实现多酶催化的时空调控提供了可能性。然而,如何在分子水平上精确调控天然酶-纳米酶之间的动力学匹配仍然是一项具有挑战性的工作。磁性纳米材料不仅具有纳米酶的催化性能,还可以响应交变磁场(AMF)刺激产生纳米尺度的磁热效应,这为调控纳米多酶催化提供了有效的技术手段。因此,本论文以葡萄糖氧化酶(GOx)和涡旋磁四氧化三铁纳米环(Fe3O4NR)作为天然酶-纳米酶级联模型,构建了四种不同连接距离的磁响应型Fe3O4NR@GOx纳米级联酶,利用氧化铁纳米酶的磁热效应对天然酶-纳米酶级联反应动力学进行精准调控,并对该级联酶体系的催化性能、磁热调控机制及抗肿瘤活性进行了系统研究。主要研究结果如下:(1)系列距离Fe3O4NR@GOx纳米级联酶的构建与磁热性能、纳米酶活性表征:通过水热法和高温热还原法制备了具有独特涡旋磁畴结构的Fe3O4 NR(64 nm)。随后使用不同链长的聚乙二醇分子对Fe3O4 NR进行功能化修饰,并通过EDC/NHS方法实现了Fe3O4 NR与GOx的共价连接,成功构建了Fe3O4 NR(D0)/(D2)/(D5)/(D10)@GOx四种连接距离依次增大的纳米级联酶。磁热性能测试结果表明Fe3O4 NR比吸收率(SAR)值是超顺磁氧化铁颗粒的12倍。酶活力测试结果表明Fe3O4 NR具有类过氧化物酶的催化活性,且在高温及14天储存中活性几乎不受损失。以上说明了该Fe3O4 NR兼具优异磁热性能和纳米酶活性。(2)不同距离的Fe3O4NR@GOx纳米级联酶催化性能研究:通过对比天然级联酶体系(GOx&HRP)和纳米级联酶体系(GOx&Fe3O4 NR)的级联反应动力学过程,明确了纳米酶Fe3O4 NR和GOx动力学不匹配是导致级联反应效率差的内在原因。通过对比级联反应速率和中间体H2O2的变化规律发现,经距离优化后的Fe3O4 NR@GOx纳米级联酶可以显著促进Fe3O4 NR的纳米酶活性,进而改善Fe3O4 NR和GOx动力学匹配程度,提高级联反应效率。与游离GOx&Fe3O4NR相比,四种Fe3O4 NR@GOx纳米级联酶的活性可以提高34-332倍。其中Fe3O4NR(D2)@GOx中间体累积量最低,表现出最高的催化活性。(3)磁场调控Fe3O4NR@GOx纳米级联酶反应动力学研究:Fe3O4NR在交变磁场下产生的局域热可以调节Fe3O4 NR@GOx纳米级联酶催化反应动力学,这主要得益于磁热可以激发Fe3O4NR自身的纳米酶活性和邻近的GOx酶活性。增强限速酶Fe3O4NR活性,可以更好地改善中间体H2O2的利用率和级联体系的动力学匹配,达到更显著的活性增强效果。其中,Fe3O4NR(D2)@GOx在AMF作用后具有最高的级联催化活性,是GOx&Fe3O4NR物理混合物催化活性的400倍以上。(4)交变磁场作用下Fe3O4NR@GOx纳米级联酶的体内体外抗肿瘤性能研究:AMF刺激后的Fe3O4NR@GOx纳米级联酶可以诱导4T1乳腺癌细胞产生更多的ROS,引发肿瘤细胞凋亡,进而提高对肿瘤细胞的杀伤作用。在4T1荷瘤小鼠实验中,AMF刺激也可以增强Fe3O4NR@GOx的抗肿瘤活性,且不同距离的Fe3O4NR@GOx纳米级联酶在联合AMF后,所表现出的体内抗肿瘤活性规律和体外催化活性规律一致。同时该体系也具有良好的生物相容性,具备临床应用的潜力。总而言之,本论文提出了一种基于距离优化构建磁响应型天然酶-纳米酶级联体系的实验策略,并有效利用磁热效应精准调控级联反应动力学过程,实现磁热联合纳米多酶体系对肿瘤的高效治疗。这为未来设计其他响应型多酶体系提供了参考,也为更多级联反应的精准调控提供了技术支持。
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