破译酶-光敏剂的物理结合机制，助力催化增强的光动力治疗

研究背景

光动力疗法（PDT）凭借非侵入性和精准的时空选择性等优势，在肿瘤及感染疾病治疗中备受关注。然而其临床转化仍面临多重挑战：传统光敏剂（PS）存在溶解性差、稳定性不足等问题；复杂病理微环境会干扰药物递送与释放；组织缺氧更会显著抑制活性氧（ROS）的生成，导致治疗失败。酶-PS偶联物为解决这些瓶颈问题提供了新思路：酶作为载体可改善PS性能，其生物催化作用还能重塑病理微环境，实现增效治疗。但是，传统的共价偶联易损伤酶活性且易引发免疫反应。相比之下，物理结合能保持酶活性，并简化制备流程。但酶-PS之间的物理作用机制（涉及多种弱相互作用）比较复杂且研究不足。因此，深入解析酶-PS物理结合机制，将有效指导酶-PS偶联物的设计,为实现催化增强PDT开辟新的途径。

研究进展

通过分子动力学模拟与实验相结合的方式，该研究系统性探究了三种代表性酶(溶菌酶Lys、葡萄糖氧化酶GOx和过氧化氢酶CAT)与光敏剂Ce6的相互作用机制（图1）。研究表明，Ce6与酶的结合首先受静电作用驱动形成松散接触，随后通过疏水作用与氢键形成稳定结合（图2）。

酶-Ce6结合位点的自由能计算和残基分析结果表明，酶表面的正电荷残基和疏水残基是决定酶与Ce6结合的关键因素（图3）。此外，辣根过氧化物酶（HRP）、碱性磷酸酶（ALP）和乳酸脱氢酶A（LDHA）的模拟和实验结果也进一步验证了这一结论。

通过进一步分析Ce6与酶的结合亲和性与正电及疏水残基表面积的关系，发现酶表面的正电区域面积与酶的结合亲和力具有强相关性。考虑到静脉给药的情况，研究进一步引入了人血清白蛋白（HSA）作为修正项，建立了评估酶与Ce6结合强弱的系统性判定标准（图4）。

在这一标准的指导下，作者进一步构建了具有卓越稳定性和高生物相容性的过氧化氢酶-Ce6 纳米偶联物（CAT-Ce6 NCs）（图5）。体外实验表明，CAT-Ce6 NCs可有效催化细菌微环境中过度表达的H₂O₂产生O₂，达到改善缺氧并促进ROS生成的目的（图6）。在耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染的小鼠皮下脓肿模型中，CAT-Ce6 NCs能有效重塑缺氧病理微环境并清除细菌，实现催化增强的PDT治疗（图7）。

未来展望

通过系统研究酶与光敏剂Ce6的物理相互作用，此研究首次揭示了酶表面正电荷残基与疏水残基是决定酶与Ce6结合的关键结构因素，并创新性地提出以酶表面正电荷区域面积作为评估和预测其结合亲和力的标准。基于该标准，作者成功构建了具有卓越稳定性的CAT-Ce6 NCs，其可通过重塑缺氧病理微环境并彻底清除病原菌，实现催化增强的PDT治疗。该研究不仅建立了酶-PS物理结合的理论框架，并为理性设计高效酶-PS偶联体系、推动催化增强PDT的临床应用提供了重要科学依据和实践指导。

通讯作者简介

李永强，山东大学教授/博导，主要从事纳米材料和生物/医学物理交叉领域的研究工作。获江苏省科学研究成果二等奖（2018）、江苏省科学技术三等奖（2023）、湖北省自然科学三等奖（2021）和美国海洋光学Imagination Award（2021）；担任国家自然科学基金函评专家、科技部重点研发计划通讯评审/会议评审专家、Research，Nano-Micro Letters，Interdisciplinary Medicine期刊青年编委、中国医学装备协会组织再生分会常务委员；已在PNAS、 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Adv. Sci.等国际权威SCI期刊上发表学术论文80余篇，论文总引用超5000次，授权国家发明专利8项（转化2项）；主持国家自然科学基金（青年/面上）、科技部重点研发计划课题、青年泰山、江苏省优青、唐仲英基金会科研项目等多项课题。

杨燕美，山东师范大学教授，主要从事多功能纳米材料在生物医学领域的应用研究，包括质谱检测、疾病诊疗、以及蛋白质组学等。主持和参与多项国家级、省部级科研项目，发表学术论文近50篇（ESI高被引论文3篇)，引用超3600余次（H-index=29），授权国家发明专利6项。入选江苏省“双创计划-境外世界名校类博士”、苏州市高等院校、科研院所紧缺高层次人才、山东省引进高层次人才，入选山东省泰山学者青年专家。

来源：https://doi.org/10.34133/research.0732