配体工程化金属有机框架通过原子轴向Cu-N?位点实现控制性一氧化氮递送与肿瘤治疗增强

《Biomaterials》：Ligand-Engineered Metal?Organic Frameworks with Atomically Axial Cu-N 5 Sites for Controlled Nitric Oxide Delivery and Enhanced Tumor Therapy

　　

摘要

构建具有精确定义配位环境的单位点纳米酶对于实现高且可控的酶反应活性至关重要，但仍具有挑战性。在此，我们提出一种简便的配体工程诱导配位不饱和（LEICU）策略，用于构建基于氰化亚硝酰铁铜的普鲁士蓝类似物单位点纳米酶（称为 CNPSE）。通过硝普钠的合理配体取代，生成分离的配位不饱和轴向 Cu-N₅ 单元作为主要的酶活性中心。所得的 CNPSE 表现出显著增强的过氧化物酶样和谷胱甘肽耗竭活性，而保留的 Fe-C≡N-Fe 单元赋予了高效近红外光热转换能力。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，Cu 活性位点显著降低了 H₂O₂ 活化的能垒，从而促进活性氧（ROS）的产生并增强过氧化物酶样（POD-like）催化活性。在 808 nm 照射下，局部热效应不仅加速酶促反应，还触发一氧化氮释放，协同放大氧化损伤和凋亡。体内外研究均表明具有优异生物安全性的有效肿瘤抑制作用，转录组学分析揭示激活了氧化应激、免疫反应和环鸟苷单磷酸（cGMP）信号通路。这项工作展示了配体工程在定制单位点纳米酶原子配位环境方面的潜力，为构建多功能基于 PBA 的治疗平台中的配位不饱和催化位点提供了合理策略。

引言

尽管放疗、化疗和手术等传统治疗取得了重大进展，但癌症仍是全球主要死亡原因之一^[1]。尽管这些方法有效，但往往受限于脱靶毒性、复发和耐药性的发展。纳米医学的近期进展使得多种治疗和诊断平台成为可能，从聚合物纳米粒子和仿生膜伪装纳米结构到多功能无机纳米材料和 NIR-II 荧光成像系统，为肿瘤靶向治疗和诊疗一体化提供了多样化的机会[2], [3], [4], [5]。纳米药物，特别是具有固有生物活性的纳米材料的使用，代表了癌症治疗的一个新时代[6], [7]。这些材料可以被工程化以产生活性氧（ROS），耗竭细胞抗氧化剂，并干扰细胞能量代谢，这些是肿瘤进展和生存的关键过程[8], [9]。纳米酶是模拟天然酶催化活性的纳米材料，由于其调节疾病治疗中细胞内氧化还原稳态的潜力而备受关注[10], [11], [12], [13]。其中，以分离金属原子作为催化中心并在定义明确的框架内稳定存在的单位点纳米酶，通过精确的结构工程提供了增强酶活性和治疗特异性的独特机会[14], [15], [16]。具有明确金属 - 配体配位的天然金属酶启发了单位点纳米酶的理性设计，这些纳米酶具有可控的构象以复制生物酶功能[17], [18], [19], [20]。此外，具有明确结构和分离活性位的单位点纳米酶提供了 100% 的原子利用效率和高的催化活性。因此，它们可以弥合纳米酶和天然酶之间的差距，实现高效的催化系统和详细的机制见解。

金属 - 有机框架（MOFs）因其独特的结构和性质而成为通用材料，因此是广泛应用于各种生物医学应用的理想选择[21], [22]。此外，由于均匀分散的单金属位点，MOFs 也表现出类似于天然酶的催化活性[23], [24], [25]。这些特性使 MOFs 能够催化特定的氧化还原过程以增强 ROS 产生，为无创癌症治疗提供了有前途的方法^[26]。普鲁士蓝类似物（PBAs），微孔 MOFs 的一个子类，作为构建单位点催化剂的理想平台获得了广泛关注[27], [28]。PBA 的刚性骨架、丰富的配位环境和固有缺陷位点为定制活性位点提供了多样化的机会[29], [30]。然而，传统的基于 PBA 的纳米酶往往表现出有限的催化活性，这在部分上与其高度对称和配位饱和的金属 - 配体环境有关^[31]。调节配位数或在原子水平引入不对称性被提出作为克服这些挑战的有效策略[32], [33], [34]。例如，不对称单原子配位环境，如 M-N₂ 和 M-N₃ 位点，通过破坏电荷对称性并产生促进底物结合和中间体反应稳定的局部分布电子分布，表现出增强的催化活性[35], [36], [37]。迄今为止，关于具有明确配位环境的 MOF 模板单位点纳米酶系统的报告有限。解决这一挑战的一个有前途的方法涉及在保持其主要结晶度和孔隙率的同时，通过在框架内锚定异质金属原子或引入缺失配体来理性设计特定的配位不饱和位点[38], [39], [40]。例如，Zhou 等人开发了一种金属节点锚定策略来制造 Pz-MOF (PCN-1004)，其特征是具有隔离 Cu 催化位点的 1D 铜 -Pz 链，在交叉脱氢偶联反应中表现出优异的催化性能^[41]。Li 及其同事应用了缺失配体策略来定制层状支撑 Co₂(OH)₂(C₈H₄O₄) (CoBDC) MOF 中 Co 位点的电子结构，以增强析氧反应性能^[42]。

在本贡献中，我们提出了一种简单有效的配体工程诱导配位不饱和（LEICU）策略，用于构建自组装单位点纳米酶（称为 CNPSE）。该方法涉及通过硝普钠的配体取代将单位点 Cu 原子锚定到普鲁士蓝类似物的框架中。由于普鲁士蓝类似物的固有微结构，引入中心 Fe^II 与一个亚硝基 (-N=O) 和五个氰基 (-C≡N-) 配位的二级配体硝普钠，导致框架内形成配位不饱和 Cu-N₅ 单元（图 1）。由于 Cu 物种在介孔框架内配位，实现了具有高含量 26.4 wt% 的高度隔离 Cu 位点。由于其固有的介孔性质，CNPSE 已被证明具有过氧化物酶样（POD-like）和谷胱甘肽耗竭活性，催化羟基自由基（•OH）的产生和细胞内谷胱甘肽（GSH）的耗竭。此外，残留的 Fe-C≡N-Fe 单元使 CNPSE 保留了光热转换能力。在被癌细胞内化并随后进行近红外照射时，光热效应增强了•OH 的产生和 NO 释放，从而促进细胞凋亡死亡。我们的工作不仅突出了单位点纳米酶用于肿瘤酶疗法的优势，还通过 LEICU 策略扩展了构建基于 PBA 的治疗平台的合成策略，为纳米医学提供了新的可能性。

章节片段

CNPSE 的合成与表征

在这项研究中，受普鲁士蓝良好的生物相容性概况（在 Radiogardase?中有临床先例）的启发，选择了基于氰化亚硝酰铁铜的普鲁士蓝类似物（CNP-PBAs）作为构建单位点纳米酶的平台模型。简要地说，将 K₃[Fe(CN)₆]、Na₂[Fe(CN)₅NO] 和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解在 HCl 溶液中，随后在剧烈搅拌下加入 CuSO₄ 水溶液^[43]。混合后，产生一种透明胶体悬浮液，具有

结论

总之，我们提出了一种简便的配体工程诱导配位不饱和（LEICU）策略，通过将单位点 Cu 原子锚定到普鲁士蓝类似物的框架中来构建自组装单位点纳米酶。二级硝普钠配体的引入同时创建了配位不饱和轴向 Cu-N₅ 单元，使 CNPSE 表现出优异的过氧化物酶样和谷胱甘肽过氧化物酶样活性。凭借超高的 Cu 含量，CNPSE

样品制备

对于自组装基于氰化亚硝酰铁铜的普鲁士蓝类似物（CNP-PBAs）的合成：将 K₃[Fe(CN)₆] (0.333 mmol)、聚乙烯吡咯烷酮聚合物 (PVP, K-30, 3 g) 和 Na₂[Fe(CN)₅NO]•2H₂O (0.333 mmol) 彻底溶解于 HCl 溶液 (80 mL, 0.01 M) 中。随后，将 CuSO₄•5H₂O (0.425 mmol) 溶解于去离子水 (10 mL) 中，在室温下使用磁力搅拌器剧烈搅拌 (600 rpm) 30 分钟。加入 CuSO₄ 溶液后，产生深绿色浑浊

CRediT 作者贡献声明

Weijie Zhang: 方法，调查。Shuangshuang Li: 方法，数据整理。Peng Zhang: 可视化，验证，项目管理。Wei Cao: 方法，调查，形式分析，数据整理。Yuzhu Cao: 可视化，验证，调查，数据整理。Dongdong Wang: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，监督，资金获取，构思。Qianwang Chen: 监督，构思。Xuefei Wang: 可视化，

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报道的工作。

竞争利益声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系，这些利益/关系可被视为潜在的竞争利益：Dongdong Wang 报告说国家自然科学基金会提供了财政支持。如果有其他作者，他们声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报道的工作。

致谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金会（2230524, 252373160）、安徽临床医学研究转化专项项目（202304295107020050）、安徽省自然科学基金会（2308085MB34, 2208085QH238）以及 USTC 比和青年交叉学科创新计划（BH-202501）的支持。本工作的部分实验在中国科学技术大学物理科学仪器中心完成。DFT 计算

Wei Cao|Chenyang Bi|Xuefei Wang|Lei Zhang|Guihai Gan|Hao Zhang|Yafei Qu|Peng Jiang|Shuangshuang Li|Weijie Zhang|Yuzhu Cao|Peng Zhang|Chen Cai|Qianwang Chen|Jinming Hu|Dongdong Wang