对称性破缺策略提升单原子酶催化治疗活性：从仿生设计到肿瘤铁死亡应用

本研究针对单原子酶(SAE)催化活性不足的瓶颈问题，创新性地提出对称性破缺策略，通过构建不对称Mn-S1N3配位结构，显著提升了过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽氧化酶(GSHOx)模拟活性。实验证明该设计能有效诱导肿瘤铁死亡，为单原子催化治疗提供了新思路。

　　

在生物医学领域，天然酶因其高催化效率和特异性而备受青睐，然而其稳定性差、成本高和保质期短等局限性严重制约了实际应用。单原子酶(SAE)作为新兴的纳米酶材料，凭借原子级分散的金属中心、明确的活性位点和近乎100%的原子利用率，被视为天然酶的理想替代品。特别是具有对称Mn-N₄配位结构的单原子酶，因其结构明确且合成简便而得到广泛研究。但遗憾的是，其催化活性仍远低于天然金属酶，这主要是由于对称配位环境限制了电子局域化，削弱了与关键氧中间体(O?、OH?、OOH?)的相互作用。

尽管通过辅助药物或分子伴侣的协同策略可以改善治疗效果，但增加的复杂性阻碍了临床转化可行性。因此，在不引入额外组分的情况下增强单原子酶的本征催化活性，成为该领域面临的关键挑战。受到天然金属酶中不对称配位结构的启发，福建医科大学附属第一医院的研究团队在《Materials Today Bio》上发表了一项创新性研究，通过引入仿生Mn-S₁N₃配位环境，成功打破了传统Mn-N₄单原子酶的固有对称性。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过宿主-客体策略合成Mn@ZIF-8前驱体，并采用两步热解法构建不对称Mn-S₁N₃配位结构；利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和X射线吸收精细结构(EXAFS)等技术确认原子级分散的锰活性位点；通过密度泛函理论(DFT)计算分析电子结构和反应能垒；使用人胶质瘤细胞系U251建立体外模型和裸鼠皮下移植瘤模型进行疗效评估。

2. 结果

2.1. 材料合成与表征

研究团队通过精确控制碳化过程，成功制备了具有对称Mn-N₄和不对称Mn-S₁N₃配位的锰基单原子酶。透射电子显微镜显示Mn-S₁N₃/SAE呈现均匀的五十面体形貌，直径约为50纳米。元素分布 mapping证实了Mn、C、N和S原子在材料中的均匀分布。原子分辨率HAADF-STEM图像直接观察到了原子级分散的锰位点，X射线衍射谱图未发现金属锰或锰氧化物纳米晶的衍射峰，证明了单原子分散的成功构建。

X射线光电子能谱分析表明，Mn-S₁N₃/SAE中锰的2p_3/2峰位于640.8电子伏特，介于Mn⁰和Mn³⁺之间，表明锰处于Mn^δ+（0<>₁N₃/SAE的吸收边位于锰箔和Mn₂O₃之间。扩展X射线吸收精细结构拟合分析明确显示，Mn-S₁N₃/SAE中的锰原子与一个硫原子和三个氮原子配位，而Mn-N₄/SAE中的锰原子与四个氮原子配位，成功构建了不对称配位结构。

2.2. 催化性能评估

催化性能研究表明，Mn-S₁N₃/SAE在酸性pH条件下表现出优异的过氧化物酶模拟活性，能够有效催化过氧化氢分解产生羟基自由基(•OH)。与Mn-N₄/SAE相比，Mn-S₁N₃/SAE对底物TMB（四甲基联苯胺）和ABTS（2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）的氧化速率显著更快。电子自旋共振谱检测到了更强的DMPO/•OH加合物信号，证实了其增强的羟基自由基生成能力。

同时，Mn-S₁N₃/SAE还表现出卓越的谷胱甘肽氧化酶模拟活性，能够有效消耗谷胱甘肽。DTNB（5,5'-二硫代双-2-硝基苯甲酸）检测显示，Mn-S₁N₃/SAE处理组的谷胱甘肽消耗速率明显高于对称配位对照组。此外，材料还展现出良好的光热转换性能，在808纳米激光照射下，光热转换效率达到31.5%，且激光照射能进一步协同增强其催化活性。

2.3. 理论计算机制阐释

密度泛函理论计算从原子层面揭示了不对称配位增强催化活性的机制。研究表明，硫原子的引入引起了锰原子的面外畸变，导致了非均匀电荷分布。由于硫原子具有较大的原子半径和较低的电负性，其在锰周围引起了更显著的电荷积累。Bader电荷分析显示，不对称Mn-S₁N₃/SAE中锰原子的电荷（1.12e）低于对称Mn-N₄/SAE（1.27e），表明前者电子耗竭相对较弱。

更重要的是，Mn-S₁N₃/SAE对过氧化氢的吸附能更低，锰-氧键距离更短，表明其与过氧化氢的相互作用更强。态密度分析显示，Mn-S₁N₃/SAE的d带中心更靠近费米能级，导致费米能级附近的电子占据更高，这有利于催化反应中的电子转移。

吉布斯自由能计算表明，对于过氧化物酶模拟活性，Mn-S₁N₃/SAE的速率决定步骤能垒（-0.22电子伏特）明显低于Mn-N₄/SAE（-0.33电子伏特）。对于谷胱甘肽氧化酶模拟活性，Mn-S₁N₃/SAE的GSSG?解吸能垒（1.25电子伏特）也低于Mn-N₄/SAE（1.53电子伏特），这从理论上解释了实验观察到的催化活性差异。

2.4. 体外抗肿瘤效果

细胞实验表明，Mn-S₁N₃/SAE能够被U251胶质瘤细胞有效摄取，主要定位于溶酶体和细胞质中。细胞毒性实验显示，Mn-S₁N₃/SAE对肿瘤细胞表现出浓度依赖性的生长抑制作用，且在激光照射下效果更为显著。活/死细胞染色和流式细胞术分析进一步证实了其优异的抗增殖效果。

机制研究表明，Mn-S₁N₃/SAE处理能够显著提高细胞内活性氧水平，诱导线粒体膜电位下降，导致线粒体损伤。同时，材料有效消耗细胞内谷胱甘肽，导致谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）表达下调。C11-BODIPY^581/591荧光探针检测显示明显的脂质过氧化积累，丙二醛含量测定也证实了脂质过氧化水平的升高。这些结果表明，Mn-S₁N₃/SAE通过诱导氧化应激和破坏细胞抗氧化防御系统，成功触发了肿瘤细胞的铁死亡通路。

2.5. 体内治疗效果

在U251胶质瘤裸鼠模型中，体内分布实验显示Cy5.5标记的Mn-S₁N₃/SAE能够在肿瘤部位有效富集。治疗实验表明，Mn-S₁N₃/SAE联合激光照射组表现出最强的肿瘤生长抑制效果，肿瘤重量显著低于其他对照组。组织病理学分析显示治疗组肿瘤细胞出现广泛坏死和凋亡，TUNEL染色阳性细胞比例显著增加，GPX4免疫荧光表达明显下调，证实了铁死亡的发生。重要的是，所有治疗组小鼠体重保持稳定，血液学指标和主要器官组织学检查未发现明显毒性，证明了材料良好的生物相容性。

3. 讨论

本研究成功构建了硫掺杂的Mn-S₁N₃单原子酶，通过打破对称性配位结构，有效提升了催化性能。理论计算表明，硫原子的引入重新配置了锰周围的电子结构，增强了反应物吸附，降低了关键反应步骤的能垒。体外和体内实验证实，该设计能够在肿瘤微环境中高效催化过氧化氢和谷胱甘肽，通过诱导脂质过氧化积累和GPX4失活，触发不可逆的肿瘤铁死亡。

该研究的重要意义在于提出了一种普适性的配位不对称性策略，为设计高性能单原子酶提供了新思路。与传统协同策略相比，该方法通过内在结构调控提升催化活性，避免了引入外源组分的复杂性，更有利于临床转化。此外，研究展示的光热-催化协同治疗模式，为肿瘤治疗提供了新的组合策略。这项研究不仅推动了单原子酶在生物医学领域的应用发展，也为仿生催化材料的设计提供了重要参考。