1 引言
脑是人体较敏感的器官之一，相关疾病种类繁多，大脑或中枢神经系统癌症已成为致成人病死率最高的癌症之一[1]。脑疾病及脑癌的有效治疗方案一直是研究的重点方向。目前，一些天然酶、生物小分子及其合成的复合物等已被逐步用于脑疾病的相关治疗[2,3]。但由于活性氧清除效率低、稳定性差、毒性大或血脑屏障渗透不足等缺点，难以应用于临床[4]。近年来，一种在生理相关条件下可遵循酶动力学催化酶底物转化为产物的纳米材料[5]—纳米酶，被发现有优于天然酶及化学催化剂的多种特点。如今，纳米酶在脑疾病监测与治疗中的潜力得到了重视，研究者们从增强生物相容性、实现无创治疗及靶向递送药物等方面对纳米酶材料开展了多项研究，其在脑疾病领域的应用也有望成为新的脑疾病治疗手段。
表1 部分纳米酶较天然酶的优点[15⇓⇓⇓~19]Table 1 Advantages of some nanozymes compared with native enzymes[15⇓⇓⇓~19] |
| Types | Advantage | ref |
|---|---|---|
| Graphene and its derivatives | Large specific surface areas; rich surface chemistry | 15 |
| CeO2 nanoparticles | Multiple catalytic activities | 15 |
| BSA-Au cluster | Good stability and high biocompatibility in water solution | 16 |
| FeN3P-SAzyme | Comparable peroxidase-like catalytic activity and kinetics to natural enzymes | 17 |
| Boron-doped Fe-N-C single-atom nanozymes | Vivid mimicking nature peroxidase | 18 |
| MNx | Efficient multienzyme-mimetic catalysis with good selectivity; 4 and 5-fold higher affinities in peroxidase-like activity than the FeN4 and natural horseradish peroxidase; Higher affinity in the catalase-like activity | 19 |
2 纳米酶研究的发展
2004年，Manea等[20]发现具有类核糖核酸酶活性的金纳米颗粒并将其命名为纳米酶，自此学术界在纳米酶领域的研究渐增。2007年，中国科学家首次发现Fe3O4纳米粒子具有类过氧化物酶活性[21]，成为纳米酶研究领域的重要节点。近年来关于纳米酶的研究更是进入了高速发展阶段，我国于2020年联合制定了关于纳米酶的标准术语[22]，对后续研究起到了举足轻重的启示与规范作用。至今已有超过1200余种的纳米酶，涵盖氧化铈基、氧化铁基等金属氧化物基纳米材料，金、铂等金属基纳米材料，双金属和其他金属纳米材料以及碳基纳米材料等种类。从反应类型看，大致分为氧化还原酶、水解酶、裂合酶与异构酶等催化类型[23⇓~25]。
3 纳米酶在脑癌及脑疾病治疗中的应用
3.1 纳米酶与脑癌
3.1.1 氧化还原纳米酶与活性氧（ROS）相关疗法
3.1.2 纳米酶在脑癌治疗方面的应用
将传统疗法与ROS诱导剂相结合也可能是一种有效的癌症治疗策略[33]。TME的低氧条件、O2低效合成等问题在一定程度上阻碍着声动力学疗法（Sonodynamic therapy，SDT）的治疗效果。考虑这一因素，Liu等[34]将声致敏剂IR780与过氧化氢酶活性纳米材料MnO2封装在PLGA中，再连接Angiopep-2，合成了一种多功能纳米酶，并在脑胶质瘤细胞系U87MG和脑毛细血管内皮细胞（Bend.3）两种细胞系中进行了相关实验，结果显示， MnO2与肿瘤微环境中高水平的氢质子、H2O2及谷胱甘肽（GSH）反应，持续产生氧气并消耗GSH，在很大程度上增强了SDT的治疗效果，显著抑制了肿瘤的生长和远端转移。Mansur等[35]则构建了一种由AuNP@TSC作为氧化酶（Oxidase，OXD）类纳米酶，由Co-MION@CMC作为过氧化物酶（Peroxidase，POD）类纳米酶的无机-无机双纳米酶体系。其在胶质母细胞瘤TME中引发生物催化级联反应，实现磁热-化学联合治疗，该系统具有较高的生物相容性与靶向性，有望减少常规化疗引起的副作用。
具有多种酶活性的纳米酶也被证明拥有良好的抗肿瘤作用[36]。Muhammad等[37]通过氮和碳的精确配位来控制单原子铁的活性中心，连接Angiopep-2合成了一种由超小碳点支撑的铁单原子纳米酶—Fe-CDs@Ang，表现出了多种酶活性。首先，Fe-CDs@Ang积聚在酸性内体溶酶体（pH值4~5）内，表现出OXD与POD活性，阻碍溶酶体降解，激活自噬过程；另外，Fe-CDs@Ang还可发挥过氧化氢酶（Catalase，CAT）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）及谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）活性，作为ROS调节器，增强自噬作用，缓解TME的缺氧环境，进一步促进恶性胶质瘤细胞死亡。
由于纳米酶诱导癌细胞ROS毒性疗法具有的精确性与靶向性，其对晚期的转移性肿瘤作用不大。Wang等[38]设计了一种智能药物递送系统，其对肿瘤微环境具有温度和pH敏感性双重反应，通过释放小分子免疫调节剂R848，增强全身免疫反应，激活树突状细胞，改善CD8+ T细胞的功能，从而抑制原发性和转移性癌症。遗憾的是，目前在脑癌领域关于增强机体免疫系统抗肿瘤免疫的研究较少。因此，将这一方案应用于晚期脑癌或可成为有效的治疗手段。
同样的，纳米酶也存在着易被机体识别为异物而引起免疫反应及单一纳米药物在到达疾病部位之前过早泄漏等问题。对此，Zhu等[39]将红细胞膜包覆于Ru@MnO2纳米酶表面，再加载抗肿瘤药物阿霉素（DOX），通过红细胞膜增强纳米酶的生物相容性，延长在血液中的循环时间，构建了一种具有按需释放能力的纳米酶。该纳米酶系统可较好地缓解TME中的缺氧环境，与化疗等传统治疗手段结合，起到较好的协同抗癌作用。
3.1.3 纳米酶在脑癌检测方面的应用
纳米酶有望成为脑癌治疗的高效方案，不仅体现在直接参与抗癌，其在脑癌细胞检测的应用也是一种可发展的路径。
目前，纳米酶对脑癌的检测主要依赖于癌细胞上各种蛋白的特异性受体。基于过氧化物酶底物的有效氧化会产生颜色反应以及转铁蛋白受体（TfR）在胶质母细胞瘤细胞中过度表达[40,41]的原理， Weerathunge等[42]将超顺磁性氧化铁纳米颗粒与转铁蛋白（Tf）结合，监测TfR的细胞表达谱。由于U87MG细胞和成纤维细胞中TfR表达的差异产生了明显的比色反应，该体系可作为直观、简单的脑癌检测工具。Kip等[43]则借助过氧化物酶活性纳米酶与3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）的显色反应[44]提出了一种测定脑癌细胞浓度的新方法。他们制备了一种HA@Fe3O4@SiO2微球，通过透明质酸（HA）与原发性脑肿瘤细胞上的CD44受体相互作用，使得细胞通过胞吞作用吸收微球。癌细胞浓度越高，介质内剩余微球数量越少，过氧化物酶活性越低。通过Fe3O4纳米颗粒作过氧化物酶与TMB的显色反应测定酶活性，进而测定癌细胞的浓度。
3.2 纳米酶在神经退行性疾病方面的应用
随着全球老龄化趋势显著，神经退行性疾病的发生率逐年攀升。近年来，纳米酶及纳米递送系统凭借靶向给药与缓解氧化应激等特点被广泛应用于阿尔茨海默病和帕金森病等疾病的研究。
3.2.1 纳米酶在阿尔茨海默病方面的应用
为克服血脑屏障对纳米酶的阻碍，Gong等[47]将可通过神经递质打开血脑屏障的中药—冰片与硒纳米粒子及聚多巴胺两种纳米酶结合，制成一种具有SOD和CAT活性的纳米酶系统。实验证明，该系统可有效清除细胞内外ROS与活性氮（RNS），缓解氧化应激伤害；同时，促进小胶质细胞从M1表型转变为M2表型。Jia等[48]同样运用了冰片，他们将冰片与有优异的抗氧化酶样活性和优异的生物相容性的八面体钯纳米粒子（Pd-NPs）结合，发现除减轻氧化损伤外，该系统还可降低Ca2+的含量，维持线粒体膜电位，进一步保护线粒体。而Bai等[49]则利用细胞外囊泡与狂犬病毒肽（RVG）的脑细胞靶向作用，装载具有多种酶活性的高性能抗氧化剂白藜芦醇和铂纳米酶颗粒，并将这种复合纳米酶用于阿尔茨海默病，实验证明，该复合纳米酶可有效穿血脑屏障，保护线粒体，减轻Aβ聚集。另外，金属离子特别是Cu2+，与阿尔茨海默病的形成有关，环境中浓度失衡的Cu2+与Aβ结合，可能造成Aβ沉积并促进ROS的产生[50]。Du等[51]设计了2D超薄碳化铌（Nb2C）纳米片人工纳米酶，选择性地捕获Cu2+，有效抑制了Cu2+和Aβ聚集物之间的配位，保护神经元细胞免受Cu2+相关毒性的影响。
目前，检测阿尔茨海默病的一种重要方法是通过ELISA试剂盒检测Aβ含量。针对市售ELISA试剂盒对Aβ（1~40）灵敏度较低的问题，Lyu等[52]使用Fe-N-C单原子纳米酶（SANs）替代ELISA试剂盒中的天然酶HRP。由于SANs具有的高表面能、高金属原子利用率、均匀的活性位点和特殊的几何结构，显著的催化活性和较好的稳定性，改良后的SAN-LISA试剂盒对Aβ检测的灵敏度为0.88 pg/mL，远高于市售ELISA （9.98 pg/mL）的灵敏度。因此，该SAN-LISA试剂盒有望广泛应用于阿尔茨海默病的监测。
3.2.2 纳米酶在帕金森病方面的应用
帕金森病是仅次于阿尔茨海默症的第二大神经退行性疾病[53]。其病理特征主要包括多巴胺能神经元变性、纹状体多巴胺（Dopamine，DA）减少和α-突触共核蛋白（α-syn）的错误折叠和聚集等。临床表现为手抖、运动迟缓、肌强直、难以平衡姿势等运动性障碍和抑郁，睡眠障碍等非运动症状。
帕金森病的研究多是通过1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）和其代谢物1-甲基-4苯基吡啶（MPP+）处理细胞，诱导多巴胺能神经变性，从而模拟帕金森病的病理特征。Singh等[54]制备了一种Mn3O4纳米酶，因该材料中锰的混合氧化态（Mn2+/Mn3+）、抗不可逆氧化的高稳定性、大表面积和孔径等特点，其具有SOD、CAT和GPx样活性，可调控ROS水平，缓解氧化应激，同时有效抑制MPP+诱导的细胞凋亡。Wang等[55]则考虑聚多巴胺（Polydopamine，PDA）的SOD和CAT酶活性，将PDA与硒代半胱氨酸结合，制备了具有GPx活性的纳米复合材料PDASeCys，其具有良好的自由基清除能力和抗氧化酶活性。细胞实验表明，该纳米复合材料能有效逆转MPP+诱导的细胞死亡，降低ROS水平，改变线粒体膜电位，从根本上维持氧化还原的平衡；而在动物实验中，通过向黑质注射PDASeCys，多巴胺能神经变性的帕金森病小鼠的运动和认知水平得以恢复，DA水平也得到了有效维持。同样的，纳米酶穿透血脑屏障在帕金森病的治疗中也至关重要。Li等[56]通过Au加速Bi2Se3的催化，模拟抗氧化酶（如CAT、SOD、GPx和POD），可有效降低MPTP诱导的帕金森病模型中的ROS水平；再使用乳铁蛋白修饰该纳米酶，增强血脑屏障中受体介导的胞吞作用，实现对帕金森病的靶向治疗。
DA的变化还可作为帕金森病的检测指标。Zhu等[57]制备了一种由普鲁士蓝纳米颗粒负载MoS2 复合的纳米材料。这种纳米酶可以在H2O2存在时，催化TMB生成蓝色氧化TMB。DA可以抑制MB的氧化，使蓝色溶液褪色，变成无色。通过这种方法，可对0~300 µmol/L范围内的DA进行定性和定量分析。
3.2.3 纳米酶在神经发生方面的应用
3.2.4 纳米酶在年龄相关神经退行性疾病的调节剂H2S的监测方面的应用
硫化氢（H2S）是中枢神经系统的年龄相关神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病和唐氏综合征）的调节剂。H2S可通过激活SOD、CAT和Gpx限制自由基反应进程，进而调控凋亡相关基因Bax、Bcl-2和p53的表达来抵抗衰老的影响，从而发挥其抗氧化作用。Wang等[28]设计了一种光学监测平台，将纳米酶用于监测脑内H2S含量的变化，有助于研究退行性疾病的作用机制。首先合成了具有强氧化酶样活性的普鲁士蓝模拟纳米颗粒，将其与人工脑脊液（aCSF）和TMB混合，通过记录数字信号中的连续光强分布，可进行H2S的定量分析。其后，他们还合成了一种具有多种酶活性的钼-多硫化物沉积镍-铁双金属普鲁士蓝类似物基中空纳米笼[60]，同样用于H2S的光学监测。该纳米笼的过氧化物酶和乳糖酶活性分别，较原始普鲁士蓝类似物提高了37倍和27倍。此外，在强酸、高温和高盐浓度的环境中，该纳米酶表现出比天然酶更高的稳定性。
3.3 纳米酶在其他脑疾病方面的应用
3.3.1 创伤性脑损伤
创伤性脑损伤（Traumatic brain injury，TBI）是一种机械力导致的脑损伤，TBI的原发性和继发性损伤通常可能导致神经系统永久性的功能缺陷甚至引起死亡[61]。氧化应激是TBI最早发生的继发性损伤的一种类型，ROS和活性氮（RNS）一般于TBI发生后几分钟内产生，极易造成中枢神经系统损伤[62] 。Mu等[63]研发了一种碳源纳米酶，表现出了高效的抗氧化活性及对RNS较高的选择性。静脉注射该纳米酶后，受TBI影响的小鼠脑组织中ROS与RNS的水平明显降低。他们还制备了一种具有超快电子转移速率的低聚物纳米酶（O-NZ）[64]，这种特性使得催化活性得到显著提升。O-NZ减轻了急性脑损伤小鼠的神经炎症，使得其1个月的生存率从50%提高到90%。同时，实验证明，这种纳米酶对小鼠长期神经认知的恢复有较好的促进作用。
Yan等[65]和Zhang等[66]则从无创治疗的角度进行了实验。他们基于CeO2研发了一系列纳米酶绷带，通过清除ROS和减少脑外伤后神经元系统的炎症来保护神经元。该纳米酶绷带具有持久的催化活性，可有效促进创口的愈合。此外，他们还将RhN4、VN4、Fe-Cu-N6等纳米酶与聚乙醇酸（PGA）缝合线结合，研制了MNx缝合线，将其应用于活小鼠受到创伤性脑损伤的头皮[19]。该MNx缝合线保持了原有的高酶活性，不仅可以有效控制头皮损伤后超氧化物歧化酶和GSH的水平，而且在清除脑部损伤后聚积的脂质过氧化物与H2O2方面也有显著效果。其中RhN4和VN4显著下调促炎因子水平；而VN4和Fe-Cu-N6在促进新血管的生成方面有较优功效。
考虑改善纳米酶对疾病部位的靶向性，He等[67]以GSH和赖氨酸为原料，在微波条件下按最佳配比进行缩合碳化制备了一种超小的有机纳米酶，它可以在TBI小鼠脑部富含ROS的环境下通过自发反应逐渐聚集。在这种环境下，纳米酶的尺寸分别变为原来的75倍和100倍，但酶活性保持不变。
3.3.2 脑卒中
另外，由于脑卒中后复杂的病理环境，机体抗氧化系统的组成也较为复杂，含多种类酶及酶促反应。Tian等[72]将双铁原子纳米酶（Fe2NC）包埋在含硒MOF（Se-MOF）壳层中，构建了多酶级联抗氧化系统。Se-MOF的GPx活性和Fe2NC的SOD、CAT活性可有效模拟天然抗氧化系统。该纳米酶抗氧化系统可通过清除细胞内的ROS和抑制ASK1/JNK凋亡信号通路，减轻脑缺血再灌注后的氧化损伤，抑制神经细胞凋亡。
Yan等[73]则向膳食中添加Fe3O4纳米酶，通过降低丙二醛和增加Cu/Zn SOD来改善局部氧化还原状态，并促进与内皮细胞紧密连接有关的关键蛋白ZO-1和Claudin-5的表达水平，减轻内皮细胞的损伤，促进血脑屏障的恢复。
不可忽视的是，由于血脑屏障等的影响，目前纳米酶药物向缺血脑的输送仍不足。缺血性卒中发生后，由于相关蛋白在中性粒细胞膜上的表达，中性粒细胞易被吸引到受损的大脑，并与炎症的大脑微血管内皮细胞相互作用。因此，Feng等[74]借助中性粒细胞膜类膜包裹介孔普鲁士蓝纳米酶，实现了药物的靶向输送。该药物被小胶质细胞摄取，促使小胶质细胞向M2型极化，减少中性粒细胞聚集，减少神经元凋亡，达到降低脑损伤的效果。Zhao等[75]通过生物矿化的方式合成了一种嵌有Tf的二氧化锰纳米酶，负载临床神经保护剂依达拉奉（Eda），得到Eda-MnO2@Tf（EMT）纳米酶。该纳米酶可识别微血管内皮细胞上的TfR，通过内吞作用穿过血脑屏障，靶向病变区域，清除自由基，减轻炎症，有效保护神经元。
另外，纳米酶也可应用于对缺血性脑卒中的监测。Liu等[27]通过合理调节二甲基咪唑钴（ZIF-67）与Cu(NO3)2的比值，得到了ZIF-67/Cu0.76Co2.24O4纳米球。该纳米材料具有POD、GPx、SOD和漆酶活性，他们据此建立了在0.5~20 μmol/L范围内线性良好、检出限为0.15 μmol/L的在线电化学连续监测系统，成功地记录了大鼠脑缺血前后神经递质的变化。Cheng等[26]通过在沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）纳米结构中同时嵌入两种级联催化剂，即分子催化剂氯化血红素（Hemin）和天然酶葡萄糖氧化酶，合成了纳米酶INAzymes，使得反应速率得到了大幅提高。另外，他们引入微流控技术，与体内微透析技术和荧光显微镜结合，构建了集成传感平台，成功实现了活体脑缺血再灌注后脑葡萄糖动态变化的连续监测。
3.3.3 脑型疟疾
疟疾是由疟原虫引起的疾病，脑型疟疾多发生于恶性疟疾患者，恶化速度快，病死率高。考虑到活性氧可能造成脑型疟疾发病过程中血脑屏障严重受损，Zhao等[76]制备了一种由重组人铁蛋白（HFn）蛋白外壳包裹Fe3O4构成的铁蛋白纳米酶（Fenozyme）。HFn可以结合血脑屏障内皮细胞上表达的HFn受体，从而实现特异性靶向血脑屏障，发挥CAT活性，有效抑制体内ROS水平。另外，Fenozyme能够使肝脏中的巨噬细胞极化为M1表型，还可能实现与蒿甲醚的联合治疗，促进疟疾的消除。由于脑型疟疾患者口服药物困难，Prabhu 等[77]制备了纳米结构脂质载体，装载疟疾药物蒿甲醚-本芴醇（ARM-LFN），进行静脉注射。该纳米酶表现出持续的药物释放过程、良好的生物相容性和稳定性以及极好的清除寄生虫和疟疾治疗效果。因此，将纳米材料与抗疟疾药物联合使用或是治疗脑型疟疾的一种新策略。
3.3.4 癫痫
4 结论与展望
由于脑部复杂而敏感的环境，脑疾病的治疗方案与用药量在很大程度上受到限制。纳米酶凭借其强于天然酶的稳定性、灵活的搭配组合及多种酶活性的特点在众多疗法中脱颖而出，在缓解炎症、辅助传统疗法和疾病检测等方面发挥出巨大潜力。然而，值得注意的是，虽然纳米酶在脑疾病治疗领域取得了一定的成果，但是与实现临床治疗还存在较大距离。
（1）正如大多数生物材料所面临的一样，生物相容性对纳米酶是否能有效进入人体并最大化发挥药效起着至关重要的作用。目前增强生物相容性的手段需进一步探索，如何最大程度地减少人体对纳米酶的排异性仍是关键问题。
（2）部分纳米酶系统需要在人脑内留存较长时间，其可降解性、细胞毒性等都在很大程度上影响着患者是否会受到二次创伤、创伤的程度以及是否会对神经系统造成毒副作用等。针对此类问题，研究者们可能需要进行较长进程的实验与观察并进行检验与改进。
（3）若需对脑部进行长期、持续的纳米酶治疗，向脑部输送纳米酶的方案也较为关键，不合适的手术方案也许会影响到纳米酶的功效及患病部位的治疗。因此，需探讨合适的无创或微创手段，降低对患者脑部的刺激。
（4）将人造材料与天然材料结合是一个有发展前景的角度。人工纳米酶与天然酶结合，与细胞膜结合，与识别蛋白结合都是研究者们曾做出的优秀范例，而开发与人体免疫系统有协同作用的纳米酶系统也不失为一个可行方案。
综上所述，合适的将纳米酶应用于脑疾病的临床治疗方案仍需科研工作者们的大量探索和研究。