磷酸盐是生物体内许多物质的组成成分，并参与多种关键生物过程。肿瘤内的磷酸盐作为一种重要的信号分子，在肿瘤恶性进展、血管生成、免疫抑制和治疗耐药等方面发挥着重要作用。通过精准调控肿瘤内磷酸盐水平，可以干扰肿瘤的多个关键生理过程，从而提供一种潜在的癌症治疗策略。酶治疗因其低毒性和副作用小的特点，通过催化关键生化反应来调节肿瘤内磷酸盐水平，是一种有效的癌症治疗方法。鉴于天然酶的脆弱性，纳米酶因其类酶的催化活性、卓越的稳定性、多样的功能性及易于修饰的特性，已成为体内诊断和治疗的理想选择。进一步探索具有磷酸酶样活性的先进纳米酶在肿瘤治疗中的应用，已成为该领域的重要前沿课题。

在自然界中，磷酸酶通过水解磷酸酯，能够有效地从底物分子中去除磷酸基团，从而实现底物的去磷酸化。首先，磷酸酶上的Lewis酸位点（如Zn²⁺）吸附底物，接着，酶上氨基酸的羟基对底物进行亲核进攻。最后，氢质子促进离去基团（-OR）的脱离，启动下一轮去磷酸化反应。目前，开发磷酸酶模拟物的策略主要依赖于将天然活性位点片段整合到材料中，以增强其Lewis酸性，例如Zn²⁺配位复合物。受磷酸酶的启发，纳米酶需要同时加速底物结合、亲核进攻和离去基解离，才能有效模拟磷酸酶的功能。贵金属纳米酶因其可调节的物理化学性质和优异的类酶活性在癌症治疗领域应用广泛。然而，由于贵金属位点的亲电性质，它们并不适合作为直接的水解中心，这限制了它们在底物吸附和亲核攻击中的作用，因此目前被认为不具备磷酸酶活性。为突破这一局限，本文开展了研究，旨在开发贵金属模拟磷酸酶并将其应用于肿瘤治疗。

近期，华中师范大学朱成周教授课题组报道了一种具有优异类磷酸酶活性的单原子Ce掺杂Pt氢化物，并用于增强氧化应激诱导的肿瘤凋亡。实验和理论研究表明，Ce/Pt-H的类磷酸酶活性远远优于对比材料Ce掺杂的Pt（Ce/Pt）和Pt氢化物（Pt-H）。原子分散的Ce位点具有Lewis酸性，有利于底物的吸附。Ce/Pt-H表面的氢化物增加了Pt的电子密度，促进了H₂O的裂解、以及随后的亲核进攻和离去基的脱离。Ce/Pt-H在体外能够有效表达类磷酸酶活性，并能水解癌细胞内稳态所必需的生物分子，包括烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、腺苷5′-三磷酸（ATP）和葡萄糖6-磷酸（G6P）。细胞内磷酸盐分子的破坏导致谷胱甘肽（GSH）含量显著减少，最终引发细胞氧化还原稳态失衡，导致肿瘤凋亡。相关工作以“Single-atom Ce-doped metal hydrides with high phosphatase-like activity amplify oxidative stress-induced tumor apoptosis”为题发表在ACS Nano。

图1：Ce/Pt-H的合成及结构表征

采用两步法合成了Ce/Pt-H贵金属纳米酶。透射电镜表明其具有八面体的晶体结构，尺寸约为20 nm。通过X射线衍射，X射线光电子能谱，循环伏安法，同步辐射等表征，证明了Ce以单原子的形式掺杂到Pt中，并且Ce/Pt-H的表面同时具有晶格氢和吸附氢。

图2：Ce/Pt-H的类磷酸酶活性表征

为了探索纳米酶的磷酸酶样活性，作者选择了4-硝基苯基磷酸二钠（p-NPP）作为底物，并通过紫外光谱验证了Ce/Pt-H的类磷酸酶活性相比于Ce/Pt和Pt-H具有明显提升。Ce/Pt-H的催化效率(V_max)分别是Ce/Pt和Pt-H的26.90和6.25倍。同时作者提出了与传统Lewis酸性模型不同的H辅助的共吸附模型，该模型强调提高纳米酶类磷酸酶活性不仅限于提高吸附位点的Lewis酸性。同时作者研究了Ce/Pt-H对NADPH、ATP、G6P和腺苷二磷酸（ADP）等不同生物磷酸的水解效果。NADPH可以促进氧化谷胱甘肽的还原等过程，对于维持癌细胞的氧化还原稳态至关重要。ATP提供细胞代谢、动力学和生长所需的能量。此外，葡萄糖转化为G6P是糖酵解的第一步，对维持肿瘤细胞的稳态起着重要的作用。采用孔雀石绿比色法通过检测Ce/Pt-H生成的游离磷酸来考察水解效果，Ce/Pt-H对这些底物表现出优异的水解效率。质谱分析表明，得到的Ce/Pt-H可以发挥磷酸酶的功能，将NADPH和G6P水解为NADH和葡萄糖，验证了它们的类磷酸酶的活性。

图3：Ce/Pt-H的肿瘤凋亡应用

最后，由于Ce/Pt-H对于磷酸盐的优异水解能力，Ce/Pt-H通过水解癌细胞内稳态所必需的生物分子来放大癌细胞的氧化应激，最终诱导肿瘤凋亡。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c07851