纳米酶催化过氧化氢(H₂O₂)反应体系在抗菌治疗中具有广阔的应用前景。然而，纳米酶的复杂催化活性导致多种途径并行反应，导致抗菌效果不确定。迫切需要新的途径来有效调控纳米酶的多重催化活性。

2024年2月3日，北京大学王宇光、清华大学王定胜及中国科学院国家纳米科学中心谭婷共同通讯在Nature Communications 发表题为“Tuning oxidant and antioxidant activities of ceria by anchoring copper single-site for antibacterial application”的研究论文，本研究将Cu单位点修饰在具有多种催化活性的纳米颗粒上，如过氧化物酶样活性（POD）和羟基自由基抗氧化能力（HORAC）。

通过密度泛函理论(DFT)计算进一步证实了Cu与CeO₂底物的协同作用使POD增强，而HORAC受到抑制。Cu-CeO₂ + H₂O₂体系在体内外均表现出良好的抗菌性能。本研究基于配位金属与载体相互作用的策略为优化纳米酶的复杂活性提供了总体思路。

在过去的几十年里，世界范围内抗生素的不合理使用导致了细菌耐药性问题的日益严重，这已成为对公共卫生的主要威胁之一。因此，亟需开发新型广谱抗菌方法。最近，新一代纳米材料纳米酶的抗菌应用引起了研究者的极大关注，纳米酶是一种模拟天然酶催化活性的纳米材料。其中，一些纳米酶能够通过模拟天然过氧化物酶(POD)的活性，催化过氧化氢(H₂O₂)的分解，产生剧毒的羟自由基(·OH)，从而达到杀菌效果。在所有大规模的抗菌纳米酶家族中，单位点酶（SSEs）一直发挥着高催化POD活性，并最大限度地提高了原子利用效率。由于三维碳材料等基材表现出较差的催化性能，由于三维碳材料等底物催化性能较差，目前报道的基于原子水平操纵的纳米酶+ H₂O₂体系多集中在修饰金属活性位点以获得POD样活性。但在纳米酶+H₂O₂体系中，纳米酶的复合催化活性值得关注。

Nanoceria (CeO₂)作为一种新兴的纳米酶，具有多种催化特性。当这些复杂的催化反应过程共存时，它们的反应途径和结果可能是拮抗或竞争，导致负面的抗菌效果，甚至可能比比单独使用H₂O₂更差。换言之，作为生物抗氧化剂的CeO₂可以清除有氧代谢的主要有毒副产物·OH、超氧阴离子(O2•−)和H₂O₂。因此，有效调控CeO₂的多重催化性能及其反应过程向有利方向发展是优化CeO₂+H₂O₂抗菌体系的关键。

此外，还对金属场地本身的活动进行了广泛的调查。同时，金属原子与具有复杂内在催化活性的底物之间的相互作用对调控纳米酶活性具有重要意义。在调查多渠道活动的材料时，两者都应仔细考虑。CeO₂具有类似萤石的立方结构，其中密集的铈原子与8个O^2-离子配位。它的表面具有大量的氧空位，以响应Ce³⁺和Ce⁴⁺氧化还原态之间的独特穿梭。这些特征表明，可以通过调整外来金属原子和周围Ce原子的电子结构来操纵其整体性能。因此，将外来金属掺入母本CeO₂将改造其表面结构并调节反应中间体，从而获得最佳的抗菌性能。

铜剂作为一种长期存在的抗菌剂，通过静电吸附、离子渗透和破坏细菌氧化还原稳态，取得了优异的抗菌效果。近年来，它在模拟天然氧化酶和过氧化物酶抗菌方面引起了广泛关注。然而，传统的Cu抗菌剂往往含有较高的Cu含量，这不仅会造成核心Cu催化位点的浪费，而且在实际应用中存在以Cu离子形式沉淀后对正常细胞造成损伤的风险。以上因素促使寻求更安全、更高效的铜抗菌材料，以解决传统铜抗菌药物利用率差、稳定性差的问题。基于以上研究结果，假设在CeO₂中引入Cu单位点不仅可以有效地调节CeO₂的复杂催化活性，而且可以在保留其抗菌性能的同时弥补Cu在传统Cu抗菌剂中的低利用率。

Cu-CeO2催化剂的示意图和形貌表征（图源自Nature Communications ）

本研究以具有多种催化活性的Nanoceria为底物，采用一种简单的策略制备了Cu单位点修饰的CeO₂纳米酶(Cu-CeO₂)。得益于Cu物种对Ce 的电位决定步骤(PDS)反应能的调节，与原始CeO₂相比，Cu-CeO₂表现出POD样活性的增加和HORAC活性的降低。体内外实验表明，CeO₂可显著减弱H₂O₂对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和大肠杆菌固有的抗菌活性，该活性可被Cu-CeO₂有效逆转。总之，上述结果表明，Cu单位点修饰可有效调控CeO₂纳米酶的复合催化活性，Cu-CeO₂单位点纳米酶在治疗耐药菌感染方面具有良好的前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45255-6