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本文聚焦非细胞毒性催化酶功能模拟物。阐述了其在催化药物设计中的研究进展，如用于激活前药、抗氧化、解毒氰化物等，介绍了多种模拟物的特性与作用机制，为相关领域研究提供了全面且有价值的参考。
引言
催化药物有望成为未来医学治疗的 “圣杯”。它能低剂量治疗，基于特定疾病进行靶向设计，具有高特异性，还能减少或消除化学计量治疗剂量带来的副作用。随着金属化合物体外分析和表征技术的进步，催化金属药物研究发展迅速。
催化金属基药物类型多样，可针对癌细胞中加速增殖的特定途径，实现选择性细胞凋亡，降低细胞毒性，提高治疗效果。同时，金属化合物在体外研究中，还用于多种非细胞毒性治疗，如代谢紊乱、微生物和病毒感染、糖尿病、神经退行性疾病等，也可用于增强成像或诊断方法，以及毒物解毒。
人工酶能成功实现非生物催化反应。在构建人工金属酶时，主要有两种常用方法：一是用均相催化剂替换天然金属酶的辅因子；二是将金属配合物共价或超分子方式锚定到蛋白质上。还有一种新兴方法，是在蛋白质中通过定点突变，使氨基酸残基形成适合金属配位的几何结构。
人工酶的应用
为解决人工金属辅因子在到达靶蛋白过程中被生物分子代谢的问题，可采用区室化策略。在大肠杆菌中，利用周质空间将金属辅因子与细胞内潜在还原剂隔离，但人体细胞缺乏周质空间，促使人们进一步研究。在人体细胞中，野生型 A2A 腺苷受体经工程改造，能在细胞表面共价结合 Cu (II) 催化剂，该受体嵌入细胞质膜可避免配合物被代谢，改造后的细胞能对环戊二烯和氮杂查尔酮的非生物 Diels–Alder 环加成反应进行对映选择性催化，且细胞表面反应的周转数（TON）是纯化人工酶催化反应的两倍。
尽管细胞或细菌内反应的 TON 值通常低于纯化的人工酶，但铜催化的叠氮 - 炔环加成（CuACC）反应在细胞内成功进行，这得益于其动力学优势。基于此，可在体内制备基于受体的人工金属酶，用于催化人体代谢外的反应。例如，构建的人工酶可介导生物正交前药激活以及癌细胞与自然杀伤细胞间的细胞通讯，激活抗体依赖的细胞介导的细胞毒性（ADCC）效应，不仅能消除原发性肿瘤，还能有效预防肿瘤转移。
合成具有抗肿瘤特性的芳香族 N - 杂环药物，可避免非生物反应物被生物分子提取或失活。结合在牛血清白蛋白（BSA）疏水口袋中的非细胞毒性金配合物，可作为非生物反应的催化金属触发器，白蛋白表面的负电荷保护金中心，使其能激活前药，TON 超过 200。
利用 Ru (bipy)2+可在活细胞中将芳基叠氮光催化转化为氮烯中间体，通过调节光波长能直接影响反应产率，该配合物对细胞内常见还原剂（如谷胱甘肽、BSA 和抗坏血酸）稳定，反应产率适中且无明显细胞毒性。
槲皮素 - 2,4 - 双加氧酶是一种依赖铜 / 镍的酶，能催化分子氧的两个原子掺入黄酮醇。人工酶或小分子模拟双加氧酶活性的研究不断涌现。通过将非天然金属活性位点工程化到蛋白质中制备人工酶具有诸多优势。例如，经改造的桶状蛋白质咪唑甘油磷酸合酶（tHisF）表现出黄酮醇双加氧酶活性，其 Ni (II) 版本能催化槲皮素和杨梅素的氧化裂解，展现出人工金属蛋白具有槲皮素酶活性的新实例，不过其活性低于天然 Ni (II)-QueDFLA，这与 Ni (II) 中心的配位环境有关。
抗氧化模拟物
氧化应激与常见肾脏疾病（如肾小球硬化和肾小管间质纤维化）相关，这些疾病伴有炎症和组织沉积物积累，与超氧化物歧化酶（SOD）缺乏有关。催化抗氧化治疗有望减少因 SOD / 过氧化氢酶功能障碍产生的活性氧物种。
SOD 模型种类繁多，它们在金属位点具有氧和氮原子供体的共性。Mn–1P 配合物在生物介质中具有抗炎和抗氧化能力，且动力学惰性良好，在生理条件下生物相容性和稳定性突出。具有 SOD 活性的肽基铜配合物展现出抗氧化特性，第二代肽基铜配合物模拟由肽基单元通过连接子连接的双核过氧化氢酶，连接子会影响催化活性和物理性质。
新型含硫配合物，如 Ni (II) 和 Cu (II) 的富硫配合物，具有催化 SOD 的能力，其硫供体为半胱氨酸或新型硫原子。由三齿双（丙基硫氧嘧啶）（PTU）硫连接配体制备的双核富硫 Cu (II) 配合物 [Cu2(ptu - S - ptu)2]，具有过氧化物和超氧阴离子歧化酶活性。研究发现，增加配合物的硫含量与三硫化物的抗氧化特性有关，且八面体几何构型会负面影响催化反应速率，八面体或平面几何构型配合物的二硫和三硫桥的活性低于单核 Cu (II) 配合物的单硫桥（四方锥构型）。
自催化金属药物研究初期，氨基末端 Cu Ni 结合基序（ATCUN）就备受关注。Ni 和 Cu 的 ATCUN 基序用于 RNA 切割、活性氧（ROS）生成、酶抑制等。近期报道了一种含 Ni (II) 的富硫 ATCUN 基序，可作为 NiSOD 的模拟物，在生理 pH 下 TON 可达 80，但硫醇盐供体对氧敏感，易被氧化失活。
氰化物中毒解毒剂
氰化物中毒是由于氰化物与细胞色素 c 氧化酶中血红素 a3 的 Fe (III) 中心结合，阻断氧化磷酸化。目前氰化物中毒的补充治疗方法是联合使用硫代硫酸盐，也有研究尝试将硫氰酸酶包裹在脂质体中，并加入高效硫供体，以提高其生物利用度和氰化物解毒效率，还有研究探索将包裹的高铁血红蛋白作为潜在治疗手段。
在众多潜在解毒剂中，只有钼配合物被探索用于催化治疗。一种双核心生物启发钼配合物，其 [Mo2O2(μ - S)2]2+核心可作为黄嘌呤氧化酶（XO）的功能模型，既能作为硫供体，又能作为前药，其极性硫化物配体易歧化为 S2?和 S 原子，进而形成 Mo=S 部分。该配合物与氰化物反应生成硫氰酸盐，然后活性物种催化氰化物与硫供体的反应，实现体内氰化物的中和。
这类配合物 [(L) Mo2O2(μ - S)2(S2)]—细胞毒性低，在空气、水和酸性溶液中稳定，TON 为 8（催化剂负载量 10%）。虽未对 TON 进行优化，但已知该配合物最终会通过二聚化形成四核物种 [Mo4O4S6(CN)4]4-而失活，反应生成的硫代硫酸盐、亚硫酸盐或硫氰酸盐不会使配合物失活。研究还发现，该化合物能进入细胞，分布到细胞质、线粒体和细胞核中，对细胞体积调节无影响，与 DNA 的相互作用可忽略不计。
结论
用于体内非生物反应的人工酶是催化药物设计的热门话题。目前有多种方法可防止反应物在到达靶点过程中被代谢，如区室化、利用生物分子运输和生物正交方法等，以提高效率和选择性。近期一些创新方法表明，将金属配合物固定在细胞表面是实现体内多相催化的有效途径。
