引言 

生物正交化学是在不干扰生物系统的情况下观察生物体内的生物化学反应的一类新兴工具，利用合成化学的工具箱执行生物系统能力之外的转变。生物正交催化扩展了这一能力，其通过酶在生物反应中的催化放大效应，为底物的转化提供了一个平台。过渡金属催化剂(TMCs)是前药和前荧光团的一种高效的生物正交活化系统。但是，在保持活性的同时控制这些系统的定位依然是一个亟需解决的重要问题。

 成果简介 

美国马萨诸塞大学Vincent M. Rotello教授（通讯作者）利用过渡金属催化剂(TMCs)对前药和前荧光团进行生物正交转化，为治疗和影像学应用提供了一种有前途的策略。作者利用纳米表面工程化的金纳米粒子(AuNPs)和封装的TMCs在细胞内外进行生物正交催化。正电荷的季铵盐配体功能化的阳离子Pos-NZ纳米酶因高细胞摄入量实现细胞内定位；两性离子磺基三甲胺乙内酯功能化的Zw-NZ纳米酶基于细胞低摄入量用于细胞外定位，结果发现细胞内外的前荧光团和前药都可以被激活，说明该纳米酶具有良好的定位能力和活性，具有用于诊断和治疗疾病的良好潜力。该成果以“Control of Intra-versus Extracellular Bioorthogonal Catalysis Using Surface-Engineered Nanozymes ”为题在ACS Nano期刊上发表。

 图文解读 

图1 生物正交催化示意图。AuNP (2 nm core)骨架的配体功能化：(1)包覆亲脂性TMCs的疏水内部；(2)促进生物相容性的四乙二醇；(3)决定细胞内/细胞外纳米酶定位的终端相互作用单元。正电荷的季铵盐配体用于生成Pos-NPs，因高细胞摄入量实现细胞内定位。两性离子磺基三甲胺乙内酯功能化的Zw-NPs 骨架基于细胞低摄入量用于细胞外定位。通过将催化剂封装在Pos-NPs和Zw-NPs的金纳米颗粒表面生成阳离子Pos-NZ和两性（中性电荷）的Zw-NZ纳米酶。这两种酶的催化活性可以通过监控脱烯丙基介导的前体荧光团烯丙氧羰基-罗丹明PF1和烯丙氧羰基-异吩恶唑酮PF2的荧光生成来进行定量。

图2 纳米酶的催化活性图。该图表明Ru催化剂在封装之后依然保留催化活性。

图3  Pos-NZs和Zw-NZs纳米酶在宫颈癌细胞和巨噬细胞中的细胞摄入情况。该图表明两种纳米酶在细胞系中的差异吸收，且Pos-NZs细胞摄入量高，Zw-NZs细胞摄入量低。

图4  研究了纳米酶激活细胞内外前荧光团的能力。该图说明细胞膜高渗透性的罗丹明衍生物PF1用于细胞内催化反应的可视化，细胞膜低渗透性的异吩恶唑酮PF2用于细胞外催化反应的可视化。在纳米酶和前荧光团共同存在的情况下，细胞内部呈现绿色荧光，细胞外部呈现红色荧光，表明基于纳米酶的生物正交体系，具有激活不同空间定位的前荧光团的能力。

图5 细胞活力研究。该实验表明Pos-NZ和Zw-NZ的联合治疗效果高于各自单独的治疗效果，前药的细胞内激活比细胞外激活具有更高的治疗效果。

 总结展望 

作者证实工程纳米酶可预测性地将生物正交催化定位到细胞外或细胞内空间。细胞穿透阳离子AuNP骨架用于细胞内催化，“隐形”两性离子骨架用于细胞外的催化作用。这些经过修饰的纳米酶在空间上定位催化的能力预示着它们将用于治疗应用，如在调节治疗剂量的前体药物的位点特异性激活和促进膜不渗透性药物的渗透。此外，该策略还提供了一种激活细胞内外区域显像剂的方法，便于诊断应用。该研究为TMC介导的生物正交催化的空间控制提供了一种有前途的诊断和治疗应用策略。

 文献链接 

DOI: 10.1021/acsnano.8b05370

 团队介绍 

Vincent M. Rotello，美国马萨诸塞大学教授。他1990年于耶鲁大学取得博士学位，之后于麻省理工学院从事博士后研究，1993年起于马萨诸塞大学安姆斯特分校从事研究工作。Rotello教授长期从事生物化学传感、蛋白质化学及纳米医学等领域的研究工作并作出杰出贡献。迄今为止，已在Nature, Nat Chem., Nat. Nanotechnol., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等杂志发表论文500余篇。曾获NSF CAREER Award、斯隆奖（Alfred P. Sloan Fellow）等多项荣誉奖励，现任Bioconjugate. Chem.杂志主编。

原创：邓宏华