《Acta Biomaterialia》：Enzyme-driven micro- and nanomotors: Design, construction and biological applications
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摘要酶驱动的微/纳米马达（EMNMs）是一种自我推进的设备，它们通过酶催化的反应将化学能生物转化为机械功。与传统化学驱动的装置相比，这些平台的一个显著优势在于它们利用了内源性底物（如葡萄糖、尿素、甘油酯和肽）来实现自主推进。通过合理设计和调节功能材料组件，EMNMs能够高效地执行
摘要
酶驱动的微/纳米马达（EMNMs）是一种自我推进的设备，它们通过酶催化的反应将化学能生物转化为机械功。与传统化学驱动的装置相比，这些平台的一个显著优势在于它们利用了内源性底物（如葡萄糖、尿素、甘油酯和肽）来实现自主推进。通过合理设计和调节功能材料组件，EMNMs能够高效地执行从主动目标识别到自主药物装载和受控释放等一系列任务，适用于生物医学应用。此外，结合EMNMs的光热疗法和饥饿疗法等新兴治疗方法已经在多种临床干预中得到了广泛研究。迄今为止，已有几篇综述概述了该领域的总体进展，然而，关于制造策略及其具体治疗应用的综合性研究仍然相对较少。为了填补这一空白，本文全面阐述了EMNMs的设计原则和构建策略，包括酶的选择、基质材料和形态结构。此外，还系统总结了在治疗心血管和脑血管疾病、癌症以及泌尿系统疾病方面的最新研究进展。通过进一步分析当前的瓶颈并展望未来方向，本文旨在为相关领域中EMNMs的研究提供重要的参考和战略指导。
重要性声明
· 全面阐述了酶驱动的微/纳米马达（EMNMs）的核心设计原则和制造方法。· 在酶筛选、基质支架和形态结构三个关键维度上建立了EMNMs的系统结构-活性相关性。· 彻底总结了EMNM平台在治疗恶性肿瘤、心血管和脑血管疾病以及泌尿系统疾病方面的最新进展。
引言
纳米材料在生物医学研究中的应用潜力继续展现出巨大的前景；然而，传统的纳米材料通常缺乏自主靶向疾病治疗所需的复杂功能[1]。这一限制促使人们转向微米和纳米级的马达系统。作为纳米技术中一个创新且快速发展的分支，这些合成微机器的设计和制造已成为跨学科研究的重点[2,3]。可以追溯到1959年，理查德·费曼的开创性演讲“底部空间很大”，首次提出了微机器的概念，并预见了其在微型手术中的用途[4]。虽然这只是一个理论抽象，但它为现代运动系统奠定了知识基础[5]。2001年是一个重要的里程碑，当时Vogel提出了基于三磷酸腺苷（ATP）驱动的分子穿梭器，为后续的合成发展提供了生物学原型[4]。
几十年来，在工程化自推进微/纳米马达方面取得了重大突破。这些装置通过将化学能或外部场能（如光、电、磁或超声波）转化为定向机械功来发挥作用[6]。在各种推进机制中，酶驱动的微/纳米马达（EMNMs）因其固有的生物相容性而受到了广泛关注[7]。酶作为生物系统中的普遍存在的生物催化剂[8]，具有无与伦比的催化特异性和效率，并且可生物降解[9]。它们在温和的生理条件下催化涉及生物可利用底物（例如葡萄糖、尿素）的反应[10,11]。储存在这些生物燃料分子中的化学能可以高效地转化为机械能[12]，为马达提供所需的动力[13]。具体来说，EMNMs通过天然或模拟酶介导的催化反应实现稳定推进，表现出高速度和可调的速度控制[[14], [15], [16]]。
在推进过程中，过氧化氢和酸碱溶液等化学物质常被用作燃料来源。燃料的催化分解会引发气泡的形成和生长[17,18]，由此产生的反作用力推动马达移动。本质上，这一过程利用了结构不对称性来促进定向气泡喷射，从而将化学能转化为动能[19]。然而，高浓度过氧化氢（H2O2）可能引起的氧化应激和组织损伤需要寻找更生理安全的替代方案。目前，最先进的平台已经通过特定的配体进行了功能化[20,21]，以实现双重功能：自主导航和靶向治疗[22]，包括精确的靶向治疗剂和肿瘤学治疗[23]。与其他化学驱动的系统[24,25]相比，EMNMs在天然生理环境中具有更高的生物安全性和更好的燃料可用性，推动它们在生物传感、诊断和靶向载荷输送领域的应用[[26], [27], [28], [29]]。更重要的是，与传统主要作为被动药物输送载体的纳米颗粒不同，酶驱动的微/纳米马达通过酶的催化和调节作用发挥内在的治疗效果，而不是依赖外源药物的装载和运输。
由于具备集成多功能性，微/纳米马达（MNMs）为环境修复、疾病诊断和精准靶向治疗等前沿领域提供了创新解决方案。作为创新的成像剂，MNMs有效克服了传统成像系统的固有局限，实现了动态对比剂输送、实时生物信号跟踪以及在复杂生理微环境中的协同多模态成像性能[30]。凭借其自主推进能力，MNMs能够有效穿透血液-脑屏障、黏液层和细胞膜等多重生物屏障，大大提高了深层组织的成像穿透深度和检测效率。同时，依靠精确的定向导航性能，MNMs可以在血管和组织中实现靶向积累。这些马达可以根据特定的微环境特征在病变部位释放成像成分，从而有效减少背景噪声，提高成像分辨率，最终实现高对比度和精确的病变区域成像。
要成功构建这些多功能EMNMs，合理的结构工程至关重要[31]。具体来说，酶的种类、固定策略、结构组成[32]和几何形态共同决定了其功能表现[33]。在复杂的生理环境中，这些因素协同调控运动行为和时空调控[34]。EMNMs已经在靶向催化、按需释放以及疾病的诊断或治疗方面展示了可行性[35,36]。
尽管迄今为止已有大量关于酶驱动的微/纳米马达的研究报道，但相关发现的系统总结和分类仍然不足[37]。基于此，本文对该研究领域进行了系统综述，以填补现有文献的空白。该综述主要关注构建模块、酶类型和底物材料设计，总结了这些微/纳米马达在生物医学领域的最新应用（图1）。它比较和分析了各种酶驱动的微/纳米马达的全面性能，旨在为未来的研究提供理论参考和研究启示。
章节片段
酶驱动的微/纳米马达的构建
历史上，自主微/纳米马达的早期发展主要使用无机催化剂，尤其是铂（Pt）来产生足够的推进力。然而，这些无机成分的固有毒性和潜在的环境钝化作用严重阻碍了它们的临床转化和实际生物医学应用。因此，研究人员转向使用生物相容的天然酶作为生物催化剂，并将其固定在各种
生物医学应用
到目前为止，EMNMs已被广泛研究，成为涵盖病变靶向保留、肿瘤学、免疫疗法和高精度生物传感等关键领域内的多功能平台[98]。目前针对恶性肿瘤的主要临床治疗方案包括外科切除、化疗、放疗、免疫疗法、靶向治疗、激素治疗、干细胞移植和精准医疗。尽管如此，这些
结论与展望
在过去的几十年里，人们致力于开发高性能的EMNMs，用于药物输送、组织穿透和多种生物医学应用[118,119]。本综述系统地概述了各种EMNMs的核心特性，包括天然酶的选择、推进机制和多功能应用。通过对各向异性结构的比较分析，我们强调了形态对
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CRediT作者贡献声明
宋琼：撰写——原始草稿，研究，数据分析。李岩：撰写——原始草稿，资金获取，数据管理。刘俊秋：撰写——审稿与编辑，资源协调，资金获取。孙洪成：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。
宋琼|李岩|刘俊秋|孙洪成
