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【Adv.Mater.】纳米酶革命：8-10 原子厚高熵催化体系提升 70°C 光热治疗效果 ​

近年来，纳米酶在生物医学领域的研究发展迅猛，尤其是在疾病治疗方面表现出巨大潜力。本文介绍了一项突破性的研究，成功构建了一种原子级高熵纳米酶（High-Entropy Nanozyme, HEAzyme）体系，不仅实现了卓越的内源靶向催化，还显著增强了肿瘤的光热治疗效果。这项工作为纳米酶学研究提供了全新的思路，并在临床应用方面展现了广阔的前景。

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1. 纳米酶的背景与发展 ​

纳米酶（Nanozyme）自2007年被首次报道以来，受到了广泛关注，并已发展出数千种不同类型的纳米酶。其具有以下特点：

  • 低成本，相比天然酶更加经济可控；
  • 高稳定性，适用于多种复杂环境；
  • 可规模化生产，易于工业化应用；
  • 催化活性可调节，适应不同生物环境。

尤其在医学领域，纳米酶被广泛应用于肿瘤治疗、炎症控制、神经退行性疾病防治（如阿尔茨海默病）、心血管疾病改善等。其核心机制主要包括：

  1. 清除活性氧（ROS）——帮助减轻细胞氧化损伤；
  2. 通过催化内源环境生成ROS——提高肿瘤杀伤效率。

然而，目前纳米酶的催化效率仍存在较大挑战，急需开发新型、多功能、高效的纳米酶系统，以进一步提升其生物医学应用能力。

2. 高熵合金与原子级纳米酶的构建 ​

高熵合金（High-Entropy Alloy, HEA）是一类新型金属材料，由五种或更多金属元素组成。这类合金材料因其高混合熵效应、晶格畸变效应、动力学缓慢扩散效应等特点，表现出特殊的物理化学性能。在纳米催化领域，高熵合金催化剂因其低超电势、高稳定性和快速动力学性质，展现出巨大应用潜力。

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本研究首次成功合成了一种 RuRhPtIrMo 亚纳米高熵纳米酶（sn HEAzyme），其平均宽度仅为 8–10 个原子。研究团队采用 还原扩散法（Reduction-Diffusion） 和 表面修饰技术（Grafting） 构建了这种纳米酶体系。具体制备过程包括：

  1. 选择五种金属前驱体（Ru、Rh、Pt、Ir、Mo） 作为原材料；
  2. 通过还原扩散技术控制金属原子的均匀分布，形成稳定的单相固溶纳米棒结构；
  3. 采用细胞靶向分子 DSPE-PEG2000-cRGD 和荧光成像分子 Cy7 修饰纳米酶表面；
  4. 最终得到稳定的 sn HEAzyme@DSPE-PEG2000-cRGD@Cy7 纳米酶系统。

此体系不仅展现出高效的过氧化物酶（Peroxidase, POD）类催化活性，还能够显著增强近红外（NIR）光热效应，为肿瘤治疗提供了新的可能性。

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3. 纳米酶的催化活性及光热转换效果 ​

本研究系统地评估了 sn HEAzyme@DSPE-PEG2000-cRGD@Cy7 的催化活性和光热转换效果，实验结果表明：

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  • 该纳米酶具有卓越的 POD 类催化活性，可有效分解过氧化氢（H₂O₂）并生成毒性极高的羟自由基（•OH），用于杀伤肿瘤细胞；
  • 在近红外照射（808 nm）下，纳米酶展现出良好的光热转换效应：
    • 激光功率 2 W/cm² 时，溶液温度可迅速升高至 80°C；
    • 激光功率 1 W/cm² 时，溶液温度可达 60°C；
    • 纳米酶浓度 50 µg/mL 时，温度提升可达 40°C。

这一光热转换特性使纳米酶能够精准调控肿瘤微环境，在治疗过程中产生协同热效应，促进肿瘤细胞凋亡。

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此外，研究还采用电子顺磁共振（EPR）技术对催化机制进行了深入探讨，证实纳米酶能够高效催化 H₂O₂ 的分解，并生成强氧化性的 •OH，进一步增强其抗肿瘤效能。

4. 计算模拟与催化机制 ​

为了深入理解纳米酶的催化机制，研究团队使用 密度泛函理论（DFT） 进行计算模拟，探索不同金属组合对催化活性的影响。计算结果表明：

  1. RuRhPtIrMo 纳米酶的 H₂O₂ 吸附能最低（-0.72 eV），具有最稳定的吸附结构；
  2. 在催化反应路径中，RuRhPtIrMo 展现出最优的电子云密度分布，其费米能级附近的电子态密度最高；
  3. 相较于其他高熵纳米酶，RuRhPtIrMo 体系的自由能变化最大，具有最强的催化动力学优势。

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这些计算结果进一步支持了实验数据，说明 RuRhPtIrMo 体系在纳米酶学研究中具有重要应用价值。

5. 稳定性与生物医学应用 ​

为了评估纳米酶的稳定性，研究团队进行了长时间存储与多次重复使用实验，结果显示：

  • 存储半年后，纳米酶的催化活性未发生明显变化；
  • 经过 6 次重复使用，纳米酶仍然保持高活性；
  • 纳米酶的形貌在透射电镜（TEM）表征下未出现显著变化。

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此外，在生物医学实验中，该纳米酶体系展现出良好的生物相容性，并能够精准靶向肿瘤组织，实现高效的光热治疗效果。在 4T1 乳腺癌细胞模型实验中，细胞毒性检测结果表明：

  • 纳米酶浓度低于 200 µg/mL 时，对正常细胞无明显毒性；
  • 在肿瘤微环境中，该纳米酶能够有效穿透细胞膜，促进肿瘤细胞死亡。

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6. 未来展望 ​

这项研究成功开发了一种 原子级高熵纳米酶体系，不仅突破了纳米酶催化效率的瓶颈，还实现了精准的肿瘤光热治疗。未来，该技术有望进一步优化：

  • 纳米酶的合成工艺，提高催化活性与稳定性；
  • 在其他疾病治疗中的应用，如神经系统疾病、抗菌治疗等；
  • 结合智能靶向策略，提升纳米酶的临床转化潜力。

这一创新性的研究为纳米酶学和肿瘤治疗带来了新的突破，也为未来的精准医学发展奠定了坚实的基础。

参考文献 ​

Ai, Y.; Wang, Z.; Shi, W.; Jia, X.; Cui, M.; Sun, H.; Ren, F.; He, M.; Liang, Q. Atomic‐Level High‐Entropy Nanozymes Enable Remarkable Endogenous Targeted Catalysis and Enhancing Tumor Photothermal Therapy. Advanced Materials 2025, 2502322. https://doi.org/10.1002/adma.202502322.