综述：基于卟啉的纳米酶：从材料制备与机理探索到生物医学应用

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Porphyrin-Based Nanozymes: From Material Construction and Mechanism Exploration to Biomedical Applications

1. 卟啉基纳米酶通过模仿金属酶活性位点实现精准催化设计，系统综述其材料构造策略、催化机制创新及生物医学应用进展，为未来智能纳米酶开发提供理论指导。

　　

钱禾|姜杰|张丽云

山西省白求恩医院，山西省医学科学院，山西医科大学第三医院，同济山西医院，山西省免疫疾病转化药物工程研究中心，中国太原市小店区龙城大道99号，030032

摘要

基于卟啉的纳米酶代表了一种开创性的仿生策略，它通过克服长期以来催化位点定义不明确的问题，彻底改变了传统的纳米酶设计。这些复杂的纳米材料不仅整合了卟啉分子的卓越催化和光学特性，还创造了类似于血红素和叶绿素的金属酶的明确定义的催化微环境。本综述系统总结了该领域的主要进展，涵盖了三个主要方面：材料构建策略、催化机制的创新以及多样的生物医学应用。首先，详细介绍了金属有机框架、共价有机框架和超分子结构等材料设计概念，特别强调了不同金属中心和有机配体对性能的影响。其次，深入探讨了受限催化、级联反应和刺激响应催化等核心机制。最后，全面概述了在生物传感、抗菌治疗、抗肿瘤策略和组织修复方面的突破性进展。本综述旨在为未来基于卟啉的纳米酶的设计和应用提供系统的理论见解和实际指导。

引言

纳米酶领域正在从偶然发现向理性设计发生深刻转变。1, 2, 3, 4 早期的研究主要集中在筛选现有纳米材料中的酶样活性。然而，由于催化位点定义不明确且活性中心难以调控，这些研究受到了限制，这从根本上限制了催化效率和选择性。5, 6 因此，向结构引导的精准设计转变对于提升纳米酶性能至关重要。在这方面，卟啉作为生物系统中的重要色素分子（包括血红素中的铁卟啉和叶绿素中的镁卟啉），由于其能够完美模拟金属酶的活性中心，已成为构建高性能纳米酶的理想分子构建块。7, 8 卟啉的核心优势包括结构明确，具有明确定义的金属配位位点，便于进行清晰的结构-活性关系研究；通过可调的中心金属离子和外围功能基团实现多样的催化活性和功能可塑性；以及由于其固有的光敏性，能够同时作为催化中心和诊疗探针。

卟啉纳米酶的历史发展可以追溯到早期在仿生材料科学中的努力，旨在复制天然血红素酶（如过氧化物酶（POD）和细胞色素P450）的活性位点。9, 10, 11 在这些开创性研究中，通过在卟啉大环内配位金属离子形成的金属卟啉被固定在各种纳米载体（如二氧化硅纳米粒子和聚合物基质）上。12, 13, 14 这些初步系统展示了类似POD或氧化酶（OXD）的活性¹⁵，证明了无机纳米材料可以模仿天然酶的催化功能，同时克服了稳定性差和高成本等固有局限性。早期的代表性工作为理解人工酶设计中的结构-活性关系奠定了基础，并突显了基于卟啉的架构在催化应用中的潜力。¹⁶

随着纳米合成和表征技术的进步，研究逐渐转向性能优化和多功能集成。通过精确的分子工程，如调节外围取代基、中心金属离子和纳米载体，卟啉纳米酶的催化效率和底物选择性得到了显著提高。17, 18, 19 此外，卟啉固有的光物理性质（包括强光吸收和高效产生活性氧物种（ROS））被利用，将酶促催化与光热和光动力效应结合起来。这种融合促进了多模式治疗平台和高度敏感的生物传感系统的发展，为下一代智能纳米酶设计奠定了基础。

在这些基础工作的基础上，为了进一步克服分子聚集和微环境控制不足等限制，该领域逐渐采用了更复杂的纳米架构。将卟啉分子整合到精确结构的纳米架构中是一种核心研究策略。具体而言，卟啉可以作为有机连接剂或活性位点结合到金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）中，或者通过超分子自组装形成明确定义的结构。这些策略有效地防止了聚集引起的淬灭效应，并利用框架的约束效应创造了独特的催化微环境。因此，这种方法能够在原子和分子层面精确调控催化途径。这种“活性中心加微环境”的仿生设计赋予了基于卟啉的纳米酶卓越的催化效率、增强的底物选择性和出色的功能集成性。

本综述建立了一个新的概念框架，全面阐明了基于卟啉的纳米酶研究（图1）。我们不仅简单地列举应用，还从基本材料设计策略出发，分析了独特的催化机制，最终展示了这些特性如何推动创新的生物医学应用。通过这种逻辑上的结构-性质-应用进展，我们旨在清晰地描绘出该领域从基本设计原则到先进实现的发展轨迹，从而为未来的研究方向提供宝贵的见解和指导。

部分摘录

卟啉纳米酶的材料构建策略

构建高性能卟啉纳米酶的关键步骤包括精确固定活性位点、有效暴露和微环境调控。通过仔细选择卟啉配体、金属节点和组装方法，已经开发出了多种高效的材料构建策略。

催化机制的创新与探索

卟啉纳米酶的卓越性能源于其独特的催化机制。深入理解受限效应、级联反应和刺激响应行为等核心机制对于持续优化其性能至关重要。

生物医学应用的多样化发展

卟啉纳米酶的独特性质在生物医学领域展示了广泛的应用前景，特别是在高灵敏度生物传感、高效抗菌策略、精准抗肿瘤治疗和组织修复方面取得了显著进展。

总结与展望

基于卟啉的纳米酶研究取得了显著进展，从最初的活性验证和材料构建发展到对催化机制的深入理解以及针对复杂生物医学需求的精确应用。通过框架工程、超分子组装和生物模板等技术，实现了对活性中心及其微环境的精细调控。对受限效应等机制的深入探索

CRediT作者贡献声明

张丽云：撰写 – 综述与编辑。钱禾：撰写 – 综述与编辑，撰写 – 原稿。姜杰：撰写 – 原稿

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢山西省人民政府对地方科技和发展的财政支持（YDZJSX2024B011）、山西白求恩医院科学突破研究创新团队项目（2024AOXIANG02）、国家自然科学基金（82502195）、山西白求恩医院的人才引进研究启动基金（2022RC04）以及山西省临床诊疗技术创新中心在免疫学方面的支持