李春晓|韩芳琴|张杰|王耀光|张诺|赵冠辉
山东省分子工程重点实验室，齐鲁工业大学（山东省科学院）化学与化学工程学院，中国济南250353
摘要
纳米酶是一类独特的纳米材料，具有类似酶的催化活性，能够模拟天然酶的功能。它们表现出诸如底物特异性、催化效率以及对多种反应条件的适应性等显著特性，与生物酶非常相似。作为纳米酶的补充，新兴的金属有机框架（MOFs）为酶的模拟提供了另一种结构平台。金属有机框架（MOF）纳米酶是由金属离子/簇节点和有机桥接配体组装而成的杂化材料。它们具有丰富的活性位点、高比表面积以及优异的化学和热稳定性，这使得它们在更广泛的条件下仍能保持活性，优于天然酶。MOF纳米酶特别具有优势，因为它们的合成和修饰过程简单、成本较低，并且可以大规模生产。此外，它们的多功能性使其能够与其他功能材料结合，从而开辟了广泛的应用领域。这些特性使得MOF纳米酶成为创新的生物传感平台，对于敏感和选择性地检测生物标志物具有巨大潜力。本文综述了MOF纳米酶的最新发展，重点介绍了其制备策略、催化性质和生物传感应用，并探讨了该领域当前面临的挑战及未来的发展机遇。
引言
癌症是一组复杂的疾病，仍然是全球最严重的健康挑战之一[1],[2]。根据世界卫生组织（WHO）的最新数据，每年有超过1000万新发癌症病例，导致约960万人死亡[3]。早期检测癌症生物标志物对于改善患者预后至关重要，然而传统方法（如ELISA、PCR）存在成本高、灵敏度不足以及依赖集中式实验室设备等局限性。例如，前列腺特异性抗原（PSA）和CA-125分别是前列腺癌和卵巢癌的常用生物标志物，但它们的检测需要快速且经济实惠的即时检测技术[4]。这些挑战推动了替代诊断工具的探索[5]。天然酶的固有特性——高效性和选择性——使它们在体内生化过程中不可或缺。然而，这些特性也导致了外部应用中的实际限制，如稳定性、成本、纯化和大规模生产的难题。因此，人们开始寻找更可靠的替代品，从而催生了纳米酶的出现。这些纳米材料模仿了天然酶的催化功能，同时具有更高的稳定性、简单的合成方法、可调性和成本效益[6]。2007年，Yan等人[7]首次发现Fe₃O₄纳米颗粒具有类似辣根过氧化物酶（HRP）的催化活性[8]。纳米酶的广谱催化活性、出色的稳定性和高度可定制性使其在近年来得到了广泛应用[9]。根据催化机制的不同，纳米酶可以被分类为氧化还原酶、裂解酶、水解酶和异构酶等[10],[11],[12],[13]。其中，氧化还原酶包括氧化酶（OXD）[14]、过氧化物酶（POD）[15]、超氧化物歧化酶（SOD）[16]、过氧化氢酶（CAT）[17]、谷胱甘肽过氧化物酶（GPₓ）[18]和葡萄糖氧化酶（GOₓ）[19]。特别是由MOFs构建的纳米酶，在生物技术领域展现出巨大潜力，因为它们具有高稳定性、易于合成和优异的催化性能[20]。作为多孔材料，MOFs拥有丰富的活性位点，能够模拟天然酶的活性，使其在生物催化应用中极具吸引力[21]。基于纳米酶的电化学生物传感器利用纳米酶作为放大标签，催化涉及电活性探针的反应，从而实现关键生物标志物的定量检测，其中癌症生物标志物的检测具有重要的临床意义[22]。利用MOF纳米酶的生物传感器主要分为三种类型：比色型、荧光型和化学发光型，其区别在于输出信号的不同。MOFs的结构可编程性和催化可调性使其非常适合用于构建高性能的生物传感平台，以满足对敏感、特异性和即时检测癌症的需求。
因此，本综述重点介绍了基于MOF的纳米酶作为创新生物传感平台的最新进展，特别是其在癌症生物标志物检测中的应用。我们首先阐明了支撑其传感功能的合成策略和催化机制，然后全面概述了其在各种生物传感模式中的设计和应用（见图1）。同时，我们也讨论了它们在诊疗中的新兴作用。最后，我们探讨了临床转化面临的挑战及未来的发展前景。
MOF纳米酶的合成方法
在分析传感领域，成功制备MOF纳米酶复合材料的关键在于合适的形态、结构和组成，这需要通过适当的方法将MOFs与酶或纳米酶有效结合[23]。这种结合对于实现出色的检测性能（如灵敏度、选择性和稳定性）至关重要。文献中报道了多种用于合成MOFs的方法。
MOF纳米酶的生物传感应用和治疗潜力
由MOFs和各种纳米单元组成的混合颗粒已被用于化学传感；其中，掺杂镧系元素的框架会发出不同的可见光，作为光学信号[46]。每种镧系元素都具有独特的特性，这些特性需要考虑用于靶向检测任务。通过调控其孔隙率，这些材料可以被开发成用于早期肿瘤检测的先进生物标志物，以及用于可视化监测装载情况等。生物相容性、安全性和临床转化前景
尽管MOF纳米酶在生物传感方面具有巨大潜力，但其临床转化受到安全性、生物相容性和大规模生产挑战的阻碍[72]。本节将讨论这些关键障碍，并提出未来发展的战略解决方案。MOF纳米酶的主要安全问题源于其组成中的金属离子和有机配体以及纳米级特性[39]。
结论与展望
MOF纳米酶作为一种有前景的仿生催化材料，结合了工程化的孔隙结构、高比表面积和稳定的催化活性，标志着生物传感和肿瘤治疗领域的重大进展。对近期进展的分析突出了两个关键见解：首先，功能与结构密切相关。通过模块化合成金属节点和配体，并结合孔壁工程，可以精确地编程酶样活性。尽管如此，3D块体材料仍存在一定的局限性。
CRediT作者贡献声明
李春晓：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。韩芳琴：撰写——初稿、可视化、方法学、数据管理、概念化。张杰：指导、数据分析、概念化。王耀光：撰写——审稿与编辑、指导、项目管理、方法学、研究、概念化。张诺：可视化、数据分析。赵冠辉：指导、方法学
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22404088, 22006080）、山东省自然科学基金（ZR2021YQ07, ZR2020QB094）以及齐鲁工业大学（山东省科学院）的科学与教育产业融合创新试点项目（2024RCKY023）的支持。
