综述：生物混合催化在生物医学中的应用

这篇综述系统阐述了生物混合催化（Biohybrid Catalysis）在生物医学领域的革命性进展，通过整合酶（Enzymes）、纳米酶（Nanozymes）、金属有机框架（MOFs）等生物与合成组分，克服了传统催化剂的局限性，实现了抗菌治疗、癌症诊疗（如CDT/PDT）、组织再生等应用，为精准医学提供了多功能平台。

　　

生物混合催化在生物医学中的应用

摘要

生物混合催化通过整合生物组分（如酶、细胞膜）与合成材料（如纳米酶、MOFs），显著提升了催化性能、生物相容性和特异性，成为克服传统催化局限性的新范式。其设计策略涵盖共价修饰、非共价整合及基因工程，广泛应用于抗菌、癌症治疗、ROS相关疾病干预及神经接口等领域。

1. 引言

催化是现代生物医学的核心，但传统催化剂受限于苛刻反应条件及低特异性。生物混合催化通过融合生物分子的精准识别与合成材料的稳定性，实现了生理环境下的高效催化。例如，葡萄糖氧化酶（GOx）与纳米酶的级联催化可定向生成ROS，用于肿瘤治疗。

2. 设计与机制

生物组分

• 酶：如GOx、过氧化氢酶（CAT），具有高底物特异性。AI技术（如CLEAN算法）加速了酶的设计优化。
• 功能性蛋白：细胞色素P450可催化药物代谢，而链霉亲和素（Streptavidin）可作为载体锚定催化剂。
• DNA/RNA：DNAzyme可切割靶基因，用于基因沉默；RNA适体则用于分子识别。
• 细胞膜/全细胞：红细胞膜包裹的纳米催化剂可延长循环时间，而工程化大肠杆菌（E. coli）能原位合成药物。

合成组分

• 纳米酶：Fe₃O₄模拟过氧化物酶（POD），CeO₂具SOD样活性，可清除ROS。
• 碳基材料：石墨烯量子点（CQDs）兼具光催化与荧光成像功能。
• MOFs/COFs：Fe-MOFs催化H₂O₂生成·OH，而COFs的孔隙结构利于酶固定。

整合策略

• 共价键合（如氨基偶联）增强稳定性，非共价吸附（如静电作用）便于动态调控，基因工程则实现精准定位表达。

3. 生物医学应用

3.1 抗菌应用
GOx与壳聚糖纳米粒结合，通过级联反应生成H₂O₂和·OH，靶向清除耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。噬菌体修饰的钯纳米酶（Phage@Pd）可特异性识别大肠杆菌并催化ROS杀菌。

3.2 生物传感与诊断
GOx与CeO₂纳米酶联用，通过葡萄糖氧化反应实现血清检测（灵敏度5 μM）。夹心法检测中，MOF固定HRP和抗体，放大信号以识别肿瘤外泌体。

3.3 癌症治疗

• 化学动力学治疗（CDT）：Mn²⁺催化TME中H₂O₂生成·OH，联合光热疗法（PTT）增强疗效。
• 免疫激活：溶瘤细菌YB1携带声敏纳米颗粒，释放抗原并招募T细胞，抑制肿瘤复发。

3.4 ROS相关疾病与组织再生

• 炎症性肠病（IBD）：工程化益生菌表达SOD/CAT，中和肠道ROS。
• 慢性伤口：Cu_5.4O@Hep-PEG水凝胶清除ROS并促进血管生成，加速糖尿病足愈合。

3.5 神经-机器接口
代谢物诱导的导电聚合物（如PEDOT）在斑马鱼脑内原位聚合，实现神经信号记录。基因靶向的HRP催化体系可在神经元表面定向修饰，增强电信号传导。

3.6 药物递送与前药激活

• 智能递送：GOx@ZIF-8响应血糖释放胰岛素，红细胞膜延长半衰期。
• 前药催化：DNA模板化铜纳米颗粒（CuNPs）触发CuAAC反应，原位合成抗肿瘤药物。

4. 挑战与展望

尽管生物混合催化前景广阔，但临床转化需解决生物相容性、规模化生产等问题。AI辅助设计（如单原子催化剂优化）和绿色合成工艺将是未来重点。伦理与可持续性亦需关注，例如避免使用有毒金属、开发可降解载体等。

（注：全文严格依据原文内容缩编，未添加非文献支持信息。）