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纳米酶十年:从原创走向领跑
2018-07-06 中国科学报

  2007年,中科院生物物理所阎锡蕴团队发现的纳米酶入选两院院士评选的年度“中国十大科技进展”。这一发现打破了无机与有机世界的界限,开辟了一个新领域。

  10年过去了,阎锡蕴团队继续在纳米酶领域深耕。近3个月来,他们连续发表3篇论文,实现了纳米酶从发现到设计、从检测到肿瘤治疗的目标,补全了纳米酶的定义版图。

  7月2日,中科院院士、中科院生物物理所研究员阎锡蕴团队在《自然—实验手册》上发布了一项学术成果,这是该团队3个月来发表的第三篇重要论文。阎锡蕴说:“今年是纳米酶发现后的第十年。”—— 这一年硕果频现:她们证实了纳米酶能用于体内肿瘤治疗;拿到了纳米酶产品的首个医疗器械证书;定义了纳米酶活性单位;还补全了纳米酶的定义版图。

  放眼全世界,近10年间,纳米酶研究已在26个国家逾220个实验室开展,其应用研究也拓展到了生物、医学、农业、环境治理、国防安全等多个领域。而中国科研人员也实现了在自己开创的领域里领跑全球的目标。

  纳米酶: 一个跨界范儿十足的名字

  “纳米”遇上“酶”,是个跨界范儿十足的名字。阎锡蕴曾给纳米酶下过一个长定义:“在纳米尺度上,能呈现出酶学特性的无机材料。与天然酶类似,能在温和的生理条件下高效催化酶的底物,产生与天然酶相同的反应产物,并可作为酶的替代品调节细胞代谢,用于疾病的诊断和治疗。”

  从2007年那篇开创性的论文开始,阎锡蕴团队用一个又一个学术成果不断完善这个定义,直到最近的3篇论文连续发表,才为上述定义画上完美句号。

  当年发现纳米酶的博士生高利增,如今已是扬州大学青年千人教授,他与阎锡蕴课题组合作,设计出具有4种不同酶活性的新型纳米酶——氮碳纳米酶。这种模拟酶可以在不同环境下表现出不同特性。在肿瘤细胞内的酸性环境中,它能发挥氧化酶和过氧化物酶活性,催化肿瘤特征性的代谢产物,生成高毒性的活性氧自由基,从而杀伤肿瘤细胞。

  如何把这个肿瘤杀手精准地送进敌营呢?几年前,阎锡蕴团队就研制出一种直径12纳米的铁蛋白药物载体,这种载体可与肿瘤细胞膜上的转铁蛋白受体结合,从而实现靶向运输。

  在4月3日发表于《美国化学学会—纳米材料》的论文中,阎锡蕴课题组与中科院自动化所田捷课题组合作证实,铁蛋白药物载体与转铁蛋白受体结合后,可以穿越血脑屏障,并实现对原位恶性脑胶质瘤的靶向和有效治疗。

  把铁蛋白修饰到氮碳纳米酶上,就像为武器装上了导航,把子弹变成了导弹。阎锡蕴团队的副研究员范克龙在动物荷瘤实验中,发现这枚“导弹”会让肿瘤越变越小,有些甚至结痂。这一结果4月12日在《自然—通讯》上发表,建立了纳米酶靶向催化治疗肿瘤的新策略。

  “至此,我们完整地阐释了纳米酶的定义,完成了纳米酶从发现到设计、从检测到肿瘤治疗的全部环节。”阎锡蕴总结道。

  中国原创 领跑全球

  阎锡蕴笑称:“我们起了一个名字,当时并没料到会开辟一个新领域。”

  纳米酶问世以来,短短几年间就获得了国内外同行的认可:不仅被收入《中国大百科全书》;还在国际知名杂志《微尺度》上有了自己的专栏,在国际学术出版社Springer有了自己的英文专著;国际学术大会上,“纳米酶”分会场迎来越来越多的同行……

  英国皇家化学会刊综述如此评价纳米酶的发现:“改变了传统观念,开辟了新的研究方向,推动了纳米材料在生物医学的应用。”

  去年10月举行的纳米酶主题香山会议上,中科院生物物理所研究员张先恩通过文献数据分析,称中国科学家发表的纳米酶论文数量占比达70%,高引用论文占比达80%,近十年来高引用论文的前十名均来自中国学者。他指出,中国学者在纳米酶方向的研究处于国际领先地位。

  这次大会上,来自全国20多个单位不同领域的专家一致认为:纳米酶是我国科学家的原创发现,也是多学科交叉协作的典范;我国科学家的原始理论创新,奠定了我国纳米酶基础研究和应用研究的世界领跑地位。

  让纳米酶从可用到好用

  2015年,阎锡蕴团队凭借纳米酶试纸条获得Atlas国际奖。这种试纸条与传统试纸条相比,灵敏度提高了两个数量级。在产品检验阶段,公安部物证鉴定中心、南方医科大学等单位参与了第三方验证。

  一根看似普通的拐杖,在雨后的淤泥里已经浸泡了数月。用传统的胶体金方法进行血迹检测,结果呈阴性;换上纳米酶试纸后,出现了一道细浅却分明的红线,证明拐杖上曾经沾染过血液。面对物证,犯罪分子最终招认,这根拐杖正是他作案的凶器。

  “经过一次次的验证,我们对纳米酶产品更有信心了。”负责成果转化的阎锡蕴团队的高级工程师张德玺说。

  今年,两个纳米酶产品——便潜血检测试剂盒和转铁蛋白检测试剂盒获得了医疗器械注册证。他们还为试剂盒开发了相配套的全自动纳米酶免疫层析仪,以推动产品模式由单纯试剂向仪器试剂一体化演变。

  中科院院士解思深曾对阎锡蕴说:“如果你们当年发现纳米酶后,自己不去耕耘这个领域,就不会有后来的成绩。”阎锡蕴对这句话感触颇深:这些研究成果发表之初,就已经是令人称羡的高影响因子论文了。如果大家就此满足,纳米酶研究或许从此就被束之高阁,也有可能被他人捷足先登。

  好在他们选择了另一条路:向成果转化下游进发,充分挖掘纳米酶的应用潜力。这条路更加艰难、充满挑战。

  阎锡蕴在学术会议上分享铁蛋白药物载体的成果时,引来药企人员的高度关注。他们纷纷询问,这种载体最多能装多少分子的药物?“我当时没有答上来。”阎锡蕴说,“我们做基础研究,想着能装药就已经很好了。但是面向实际应用的人,就会关心最大载药量和包封率,这直接关系到产品的成本和成药性。”

  回到实验室,阎锡蕴马上把新的任务布置下去。经过师生们的共同努力,铁蛋白纳米载体的载药量从30分子增加到200分子。目前,这种铁蛋白包裹化疗药物阿霉素的新药已经进入临床前试验阶段。

  关于纳米酶的机制与应用研究仍在继续,阎锡蕴团队昨天发表的这篇论文,首次定义了纳米酶的催化活性单位,这让纳米酶产品在疾病诊疗中变得可以量化,将有利于相关产品的评价及开发。

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