Angew. Chem. | 乳酸调节纳米酶介导的线粒体呼吸阻断和肿瘤免疫抑制

摘要：纳米酶，即具有模拟天然酶能力的纳米材料，具有高的稳定性、催化活性以及低的免疫原性和成本，在催化转化生物体内的葡萄糖、谷胱甘肽、NADH和H2O2等小代谢分子以提高抗癌疗效方面呈现广阔的应用前景。肿瘤乳酸是一种重要的信号分子，在肿瘤恶性进展、血管生成、治疗耐药、

*今日头条上无法显示上标、下标，欲获得更好的阅读体验请前往微信公众号。

*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年03月08日江苏。

纳米酶，即具有模拟天然酶能力的纳米材料，具有高的稳定性、催化活性以及低的免疫原性和成本，在催化转化生物体内的葡萄糖、谷胱甘肽、NADH和H2O2等小代谢分子以提高抗癌疗效方面呈现广阔的应用前景。肿瘤乳酸是一种重要的信号分子，在肿瘤恶性进展、血管生成、治疗耐药、免疫抑制等方面起着重要作用。其中，肿瘤细胞通过有氧糖酵解的高乳酸代谢会导致肿瘤微环境酸化，从而引发免疫逃逸。利用类乳酸氧化酶（LOX）的纳米酶催化乳酸分解成丙酮酸是一种提高癌症治疗的新策略。然而，由于C-H键的高键能，乳酸分子的α-C(sp3)-H键的氧化极具挑战性，传统的催化剂通常需在超过200 oC的高温或超过1 MPa的高压下才能使乳酸氧化脱氢生成丙酮酸（图1a）。此外，产生的丙酮酸会进一步汇入线粒体三羧酸（TCA）循环作为肿瘤的能量供应。因此，针对乳酸代谢特定路径进行干预，同时阻断其下游丙酮酸的流入，为克服传统乳酸靶向治疗的局限性提供了新的可能性。

图1. 传统催化剂与Cu3N-C纳米酶催化乳酸脱氢转化为丙酮酸的机理比较

近日，中南大学化学化工学院的刘又年教授、邓留教授和哈佛大学医学院的陶伟教授等，设计了一种基于碳掺杂的氮化铜纳米酶（Cu3N-C NEs），碳的引入有助于乳酸中羟基烷基C-H键的激活，并通过氢原子转移（HAT）过程促进目标C-H和C-O-H键的氢原子抽取，实现增强的类LOX活性（图1b）。

图2展示了 Cu3N-C NEs在乳酸催化氧化过程中的动力学行为，包括乳酸消耗速率和 H₂O₂ 生成情况。实验结果表明，相比于不掺杂碳的Cu3N，Cu3N-C NEs由于碳的引入，显著提高了乳酸的催化降解效率。此外，Cu3N-C NEs 在不同 pH 和温度条件下仍保持稳定的催化活性，表明其适用于多种生理环境。酶动力学研究进一步证实，Cu3N-C NEs 具有较低的米氏常数（Km）和较高的最大反应速率（Vmax），表明其对乳酸具有较高的亲和力和催化效率。此外，Cu3N-C NEs具有较高的催化选择性，其仅针对乳酸发生氧化反应，而对其他生物分子几乎没有干扰。这些特性使其成为乳酸代谢调控的理想候选。

图2. Cu3N-C纳米酶与Cu3N的类乳酸氧化酶活性比较

利用密度泛函理论（DFT）对Cu3N-C NEs的催化机理进行了深入解析（图3）。通过构建含碳掺杂和不含碳掺杂的Cu3N模型，计算了其电子结构、吸附能及过渡态能垒。结果表明，碳掺杂导致Cu3N表面局部电子密度发生变化，增强了乳酸分子在催化表面的吸附能力，并降低了关键C-H键的解离能。在反应路径分析中，Cu3N-C NE 的d轨道电子密度与乳酸的羟基发生相互作用，促使α-C−H 键活化并加速电子转移。与未掺杂的Cu3N相比，Cu3N-C NE 的活化能降低了 30%，表明其在催化乳酸氧化方面具有更高的反应活性。此外，针对天然LOX可能的两种反应机制（氢转移机制和碳负离子机制），在Cu3N和Cu3N-C模型中进行了模拟，Cu3N-C都具有更低的反应能垒。

图3. DFT计算

细胞及动物实验显示，Cu3N-C纳米酶能够改变高乳酸的肿瘤微环境，提高pH值，并促进M1型巨噬细胞的比例上升、树突细胞成熟和CD8+T细胞浸润，从而增强抗肿瘤免疫应答。进一步研究发现，Cu3N-C NEs中的Cu可以通过调控丙酮酸脱氢酶复合物的活性，减少丙酮酸向乙酰辅酶A的转化，从而阻断线粒体TCA循环。