DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01939-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41486406
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Rong Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية المتقدمة في الحفز
نظرة عامة
تتناول هذه المراجعة التحديات المتعلقة بالاستقرار التي تواجه الإنزيمات النانوية ذات الذرة الواحدة (SAzymes)، والتي تعتبر محفزات واعدة في التطبيقات الطبية الحيوية بسبب كفاءتها العالية وتفاعلاتها الدقيقة مع المعادن الحاملة. تشمل القضايا الرئيسية المتعلقة بالاستقرار تجمع ذرات المعادن، وفقدان الموقع النشط، وكسر روابط الجزيئات عند درجات حرارة مرتفعة، وعدم كفاية التحمل البيئي، ومخاطر الأمن الحيوي، والاستقرار التحفيزي المحدود على المدى الطويل. يقترح المؤلفون استراتيجيات متنوعة للتخفيف من هذه التحديات، مثل تحسين عمليات التخليق (بما في ذلك استراتيجيات الفضاء المحدود، وتصميم مواقع التنسيق، واستراتيجيات التآزر ثنائية المعدن، وهندسة العيوب، وعمليات التقاط الذرات)، وتعديلات السطح، وتصاميم استجابة ديناميكية.
تؤكد المراجعة على الحاجة إلى خارطة طريق شاملة بأبعاد أربعة لتسهيل الترجمة السريرية لـ SAzymes: (1) هيكل قابل للتنبؤ، من خلال النمذجة التنبؤية وقواعد بيانات الهيكل-الوظيفة؛ (2) نشاط قابل للتعديل، من خلال التغلب على اختناقات النشاط-الانتقائية؛ (3) متوافق حيوياً، عبر هياكل قابلة للتحلل وتعديلات سطحية لتعزيز الدورة الدموية وتقليل السمية؛ و(4) قابل للتوسع، من خلال تطوير ممارسات التصنيع الجيدة (GMP) وتقييم السلامة والفعالية في النماذج ذات الصلة. من خلال دمج هذه الأبعاد، يجادل المؤلفون بأن SAzymes يمكن أن تنتقل من “مواد النجوم” في المختبر إلى أدوات سريرية فعالة في الطب، مما يبرز أهمية الهيكل في تحديد كل من النشاط والاستقرار.
مقدمة
تستعرض مقدمة ورقة البحث تطور الإنزيمات النانوية، بدءًا من الاكتشاف الحاسم الذي قام به يان وآخرون في عام 2007، والذي أظهر النشاط الشبيه بالبيروكسيداز لجزيئات نانوية من Fe₃O₄. أدى هذا العمل الأساسي إلى توصيف أوسع للإنزيمات النانوية من قبل وي ووانغ في عام 2013، حيث عُرفت بأنها إنزيمات مقلدة تدمج الخصائص الفريدة للمواد النانوية مع الوظائف التحفيزية. تشمل التقدمات الحديثة التي قدمها المؤلفون إنشاء عملية تطوير موحدة لإنزيمات النانو الزرقاء البروسية وفهم أعمق لآليات التحفيز لجزيئات نانوية من Fe₃O₄، وخاصة تجديد أيونات Fe²⁺ السطحية من خلال نقل الإلكترون، مما يحافظ على نشاطها التحفيزي.
تتناقض الورقة بين الإنزيمات النانوية التقليدية وإنزيمات النانو ذات الذرة الواحدة (SAzymes)، مع تسليط الضوء على مزايا الأخيرة في التغلب على القيود مثل انخفاض كثافة الموقع النشط والكفاءة التحفيزية. لقد أظهرت SAzymes، التي تستخدم ذرات المعادن المعزولة على أسطح الحامل، أداءً تحفيزياً معززاً بشكل كبير، حيث أظهرت بعض المتغيرات مستويات نشاط تتجاوز تلك الخاصة بالإنزيمات الطبيعية. يتم مناقشة طرق التخليق لـ SAzymes، بما في ذلك التحلل الحراري عند درجات حرارة عالية وترسيب الطبقة الذرية، جنبًا إلى جنب مع تطبيقاتها في مجالات طبية حيوية متنوعة، مثل تشخيص الأمراض وعلاج السرطان. تختتم المقدمة بالتطرق إلى التحديات المتعلقة بالاستقرار التي تواجه SAzymes وتقترح استراتيجيات لتعزيز أدائها وتوافقها الحيوي، مما يمهد الطريق لتطبيقات مبتكرة في تصميم التحفيز البيوميمي.
نقاش
تناقش هذه الفقرة التطبيقات الطبية الحيوية المتنوعة للإنزيمات ذات الذرة الواحدة (SAzymes)، مع تسليط الضوء على إمكانياتها في تشخيص الأمراض، والاستشعار الحيوي، والتصوير، والعلاج، والعلاج المضاد للميكروبات. تُظهر SAzymes حساسية وانتقائية عالية في تشخيص الأمراض من خلال الكشف عن جزيئات صغيرة مثل أكسيد النيتريك (NO) والدوبامين (DA)، وتساعد في التصوير الدقيق للآفات، مما يجعلها قيمة للكشف المبكر عن الأمراض والمراقبة في الوقت الحقيقي. في الاستشعار الحيوي، تم تطوير أنظمة SAzyme متنوعة للكشف الفعال عن العلامات الحيوية، مثل البوتيريل كولينستراز (BChE) والفوسفاتاز القلوي (ALP)، باستخدام منصات مدمجة مع الهواتف الذكية لسهولة الاستخدام.
فيما يتعلق بالتطبيقات العلاجية، تُظهر SAzymes وعدًا كبيرًا في علاج السرطان من خلال طرق مثل العلاج الديناميكي الكيميائي (CDT)، والعلاج الضوئي الديناميكي (PDT)، والعلاج المناعي. تستغل البيئة الدقيقة الفريدة للورم لتحفيز موت الخلايا وتعزيز المناعة المضادة للورم. على سبيل المثال، يمكن لبعض SAzymes توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) لتحفيز موت الخلايا المبرمج في خلايا الورم، بينما يمكن للآخرين إعادة تشكيل البيئة الدقيقة المناعية لتحسين فعالية الأساليب العلاجية المناعية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت SAzymes خصائص مضادة للميكروبات، حيث تولد ROS بفعالية لمكافحة العدوى البكتيرية. ومع ذلك، تظل التحديات مثل قضايا الاستقرار وتسرب أيونات المعادن اعتبارات حاسمة لتطبيقها العملي في البيئات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01939-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41486406
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Rong Guo et al.
Primary Topic: Advanced Nanomaterials in Catalysis
Overview
This review addresses the stability challenges faced by single-atom nanozymes (SAzymes), which are promising catalysts in biomedical applications due to their high efficiency and precise metal-carrier interactions. Key stability issues include metal atom clustering, active site loss, ligand bond breakage at elevated temperatures, insufficient environmental tolerance, biosecurity risks, and limited long-term catalytic stability. The authors propose various strategies to mitigate these challenges, such as optimizing synthesis processes (including space-limited strategies, coordination site design, bimetallic synergistic strategies, defect engineering, and atom stripping-capture), surface modifications, and dynamic responsive designs.
The review emphasizes the need for a comprehensive four-dimensional roadmap to facilitate the clinical translation of SAzymes: (1) structure-predictable, through predictive modeling and structure-function databases; (2) activity-tunable, by overcoming activity-selectivity bottlenecks; (3) biocompatible, via biodegradable scaffolds and surface modifications to enhance circulation and reduce toxicity; and (4) scalable, by developing good manufacturing practices (GMP) and assessing safety and efficacy in relevant models. By integrating these dimensions, the authors argue that SAzymes can transition from laboratory “star materials” to effective clinical tools in medicine, highlighting the importance of structure in dictating both activity and stability.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the evolution of nanozymes, beginning with the pivotal discovery by Yan et al. in 2007, which demonstrated the peroxidase-like activity of Fe₃O₄ nanoparticles. This foundational work led to a broader characterization of nanozymes by Wei and Wang in 2013, defining them as mimetic enzymes that integrate the unique properties of nanomaterials with catalytic functions. Recent advancements by the authors include the establishment of a standardized development process for Prussian blue nanozymes and a deeper understanding of the catalytic mechanisms of Fe₃O₄ nanoparticles, particularly the regeneration of surface Fe²⁺ ions through electron transfer, which sustains their catalytic activity.
The paper contrasts traditional nanozymes with single-atom nanozymes (SAzymes), highlighting the latter’s advantages in overcoming limitations such as low active site density and catalytic efficiency. SAzymes, which utilize isolated metal atoms on carrier surfaces, have shown significantly enhanced catalytic performance, with some variants exhibiting activity levels surpassing those of natural enzymes. The synthesis methods for SAzymes, including high-temperature pyrolysis and atomic layer deposition, are discussed, along with their applications in various biomedical fields, such as disease diagnosis and cancer therapy. The introduction concludes by addressing stability challenges faced by SAzymes and proposing strategies to enhance their performance and biocompatibility, thereby paving the way for innovative applications in biomimetic catalytic design.
Discussion
The section discusses the diverse biomedical applications of single-atom enzymes (SAzymes), highlighting their potential in disease diagnosis, biosensing, imaging, treatment, and antimicrobial therapy. SAzymes exhibit high sensitivity and selectivity in diagnosing diseases by detecting small molecules such as nitric oxide (NO) and dopamine (DA), and they facilitate precise imaging of lesions, making them valuable for early disease detection and real-time monitoring. In biosensing, various SAzyme systems have been developed for efficient detection of biomarkers, such as butyrylcholinesterase (BChE) and alkaline phosphatase (ALP), utilizing smartphone-integrated platforms for convenience.
In terms of therapeutic applications, SAzymes demonstrate significant promise in cancer treatment through modalities like chemodynamic therapy (CDT), photodynamic therapy (PDT), and immunotherapy. They exploit the unique tumor microenvironment to induce cell death and enhance anti-tumor immunity. For instance, certain SAzymes can generate reactive oxygen species (ROS) to trigger apoptosis in tumor cells, while others can remodel the immune microenvironment to improve the efficacy of immunotherapeutic approaches. Additionally, SAzymes have shown antimicrobial properties, effectively generating ROS to combat bacterial infections. However, challenges such as stability issues and metal ion leaching remain critical considerations for their practical application in clinical settings.