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油门与刹车:Fe-N-C分子活性中心调控与药物相互作用研究

数万年的自然演化赋予了天然酶高活性、高底物选择性的精巧结构,然而其分离/纯化成本高昂,极端条件下易失活。为此,纳米酶作为一类既有纳米材料理化特性,又蕴含酶学催化功能的新一代人工模拟酶应运而生。自2007年纳米氧化铁被首次发现具有类酶活性以来,越来越多的纳米酶被应用于生物传感、肿瘤治疗等重要领域。如同汽车的刹车和油门,如何模拟天然酶的抑制效应,发展纳米酶更高级的生物功能,与传统研究中提高纳米酶活性一样,意义重大。然而,由于常见纳米酶缺乏天然酶类似的分子活性中心,使得该项研究充满挑战。


Fe-N-C作为典型的非贵金属电催化剂,其研究历史可追溯到1964年,人们通过高温热活化大环金属-氮配合物制备首个氧还原(ORR)电催化剂。由于具有类似细胞色素P450酶中血红素结构的Fe-Nx活性中心,Fe-N-C最近被发现可直接活化分子氧,实现部分底物的催化单加氧和脱氢反应。目前,Fe-N-C纳米酶的制备很大程度仍沿袭其作为电催化剂的方法,然而从动力学角度考虑,不同的催化反应通常对催化剂结构具有不同要求。


围绕这些科学问题,近日,东南大学张袁健教授(点击查看介绍)课题组提出通过赋予纳米酶类酶分子活性中心的策略模拟天然酶更高级的生物功能。发现低温碳化的Fe-N-C石墨化程度低,与ORR电催化活性截然相反,呈现出极具竞争力的类氧化酶催化反应活性,其Fe-Nx位点的含量和构型共同主导了类氧化酶催化过程,并且Fe-N-C类酶催化与ORR催化过程中具有不同的电子传递途径(图1)。

图1. 氧还原电催化和纳米酶催化机理示意图


鉴于P450酶参与了人体约50%的内源性及外源性药物代谢,并且多种药物同时服用可能会影响P450酶代谢,引起不良药物反应,甚至致亡,该研究进一步利用Fe-N-C模拟了P450酶对二氢吡啶降压药(1,4-DHP)的代谢。在常见抗菌药、抗生素或西柚汁的共同作用下,Fe-N-C表现出与P450酶类似的抑制行为。机理研究表明Fe-Nx对氧分子的活化及其与这些药物/食品不同的作用方式起到了关键作用(图2)。


该研究为探索纳米酶更高级的生物功能提供了一个新思路,同时也揭示了Fe-N-C在一定程度上可替代昂贵的P450酶用于药物代谢体外初筛、用药剂量指导等药物-药物相互作用的研究。此外,为进一步挖掘Fe-N-C的纳米酶潜力,将来还需更深入的纳米酶结构-底物种类-性能规律研究。

图2. Fe-N-C参与的药物代谢可逆抑制/不可逆抑制机理示意图


相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Fe-N-C Nanozyme with Both Accelerated and Inhibited Biocatalytic Activities Capable of Accessing Drug-Drug Interaction

Yuan Xu, Jing Xue, Qing Zhou, Yongjun Zheng, Xinghua Chen, Songqin Liu, Yanfei Shen, Yuanjian Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202003949


张袁健教授简介


张袁健,1998年-2007年先后在南京大学基础学科教学强化部和中国科学院长春应用化学研究所学习获学士和博士学位,2008年-2012年先后在德国马普胶体界面研究所和日本国立物质材料研究所国际青年科学家中心(ICYS)从事科研任博士后和ICYS Researcher,2012年起受聘于东南大学化学化工学院,任教授、博士生导师。长期从事基于富碳材料的分子传感研究,已在J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文120余篇。研究成果受到国际国内同行的广泛关注,所发表论文被SCI期刊论文引用9000余次,H-index 49

研究方向:基于富碳材料的分子传感研究

  • 富碳材料化学制备与表界面调控

  • 信号转导(电化学发光、光电化学、电化学催化)增强

  • 电化学与发光生物传感新策略


张袁健

https://www.x-mol.com/university/faculty/19298

课题组主页

https://zhang.team


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