综述:铁基纳米酶在生物医学应用中的成药性优化路径
 
  时间:2025/07/31    作者:严然 李艳  
  近日,研究组在职博后、中国药科大学严然副研究员联合东南大学李艳副教授,系统总结了铁基纳米酶在结构设计、催化机制、生物医学应用与临床转化中的研究进展。相关综述论文《From Rational Design to Druggability Optimization: A Review of Iron-based Nanozymes for Biomedical Applications》发表在《ACS Applied Nano Materials》纳米酶专题特刊中(DOI: 10.1021/acsanm.5c02305)。该研究工作得到了国家自然科学基金(32401084)、国家重点研发计划(2024YFA0913200)及江苏省重大科技基础设施培育项目的资助。
 
铁基纳米酶因其结构可塑性强、催化功能多样,在肿瘤治疗、感染控制、神经保护及诊疗一体化成像等领域展现出广阔前景。与天然酶相比,其具备合成条件温和、环境响应灵敏、稳定性优良等优势。然而,其在走向临床应用过程中仍面临合成可控性差、结构均一性不足、生物安全性与药代行为研究缺失等一系列“成药性”挑战。为破解上述难题,研究团队以“成药性优化”为核心主线,从结构构建到应用落地,系统梳理了铁基纳米酶的关键研发路径(图1)。
 

图1 铁基纳米酶在生物医学应用中的成药性优化路径概览。

 

1、结构设计与合成策略:提升可控性与放大潜力

团队系统总结了多种铁基纳米酶的构建方法及其在成药性导向下的演进路径。一锅法合成因其工艺简洁、易于规模化被广泛采用,通过调控反应温度、前驱体组成和气氛,可实现活性中心精准构建与粒径均一性调节。缺陷工程与多金属掺杂技术可有效调整催化电子结构,增强多酶活性协同效应。仿生合成策略利用如血红蛋白、细胞膜等天然模板构建高密度活性中心,在保持催化性能的同时提高生物相容性。此外,非热处理的湿法浸渍与超分子自组装策略也为实现结构精控与GMP级生产提供了新方向,构建出催化活性强、结构稳定、工艺可控的候选材料体系。

 

2、催化机制解析:构-效关系指导活性调控

文章深入探讨了铁基纳米酶的POD、CAT、OXD、SOD等类酶催化机制,并结合结构-功能关系展开分析。研究发现,Fe-N₄、Fe-N₅等配位环境在调控•OH生成、H₂O₂分解及脂质过氧化等过程中具有显著差异性。单原子催化与双金属中心构建显著增强了ROS调控能力。催化活性不仅与配位结构密切相关,还受微环境pH、电荷分布和底物选择性等因素共同影响。团队进一步总结了多种“级联反应系统”的构建方法(如GOx-POD、SOD-POD),可在ROS富集环境中实现反应自放大,有效提升治疗靶向性与反应效率。

 

3、生物医学应用拓展:多模式精准干预

在生物医学应用方面,铁基纳米酶在多个疾病模型中均展现出显著治疗潜力。在肿瘤治疗中,其可在酸性微环境下诱导铁死亡(ferroptosis),并通过联合光热治疗、免疫调节等方式实现协同抗癌;在感染和炎症治疗中,铁基纳米酶可通过POD活性产生活性氧杀菌,同时发挥CAT/SOD功能调节免疫反应,一些新设计还结合了银离子释放、热响应等机制以提升疗效;在神经系统疾病如帕金森病模型中,研究展示了表面修饰的MOF纳米酶穿越血脑屏障、清除ROS的能力。此外,铁基纳米酶也广泛应用于比色、电化学及多模态成像领域,构建了集诊断、治疗与疗效评估于一体的智能纳米诊疗平台。

 

4、成药性挑战与优化路径:从可行性到可应用

针对铁基纳米酶在临床转化中面临的关键障碍,文章提出了成药性提升的系统策略。当前,其制备工艺缺乏批间一致性、结构不均一是阻碍规模放大的核心问题;药代行为、代谢路径及长期毒性研究不足,亦制约了安全性评估与监管对接;此外,尚缺乏统一的CMC(化学、制造与控制)质量标准,限制其走向临床的合规性。为此,团队建议从构-效关系建模出发,结合AI智能筛选优化结构与功能设计;在制造端推动低温、高通量、绿色工艺的标准化落地;在生物评价体系方面,构建涵盖稳定性、免疫原性及体内代谢的成药性评价体系,推进铁基纳米酶材料向“可评估、可制造、可监管”的临床级平台演进。

 
该综述为铁基纳米酶的成药性研究提供了系统的理论支撑和技术路线,特别是在结构工程与临床需求之间建立了清晰的逻辑桥梁。未来,铁基纳米酶有望发展成为具有环境响应能力、良好药代特性与可控安全性的高性能智能治疗平台,在复杂疾病的精准干预与个体化治疗中发挥重要作用。
 
文章信息:Ran Yan, Yan Li*, Ning Gu*, From Rational Design to Druggability Optimization: A Review of Iron-based Nanozymes for Biomedical Applications, ACS Applied Nano Materials, 2025, DOI: 10.1021/acsanm.5c02305 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.5c02305.