中国科学院北京纳米能源研究所李琳琳团队前期工作发现，柔性可穿戴/植入式摩擦纳米发电机产生的自供电电刺激可有效促进纳米酶活性，提高肿瘤治疗效果（Adv. Mater.2022, ;Adv. Funct. Mater.2022, ;Adv. Funct. Mater.2023, 33, ;, 20, ）。近日，该团队发现，晶格间距的增加可提高Ru纳米酶中多种类型酶的活性，并提高其对自供电电刺激的响应性，通过级联催化反应促进癌症治疗。这一规律同样适用于Cu等纳米酶。该研究发表在《In and - for》杂志上。文章第一作者为中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士生钟松静，通讯作者为李琳琳研究员。
该工作通过控制热解温度来调控氮碳骨架上Ru纳米晶的晶格间距，发现Ru晶格的扩展可以提高其催化ROS、O2生成和清除谷胱甘肽（GSH）的活性，同时也能提高其对自供电电场的响应性。这意味着本征晶格扩展和外界电刺激相结合可以协同增强催化效果。在自供电电刺激下，晶格扩展率为5.99%的Ru纳米酶（）具有最好的催化性能和癌症治疗效果。实验数据和理论计算表明，晶格扩展和电刺激都可以调控Ru的d带中心能量，改变底物和中间体的吸附能，从而加速催化反应。
图1. Ru纳米酶合成过程、温度诱导晶格膨胀及肿瘤治疗示意图。
图2.Ru纳米酶的结构表征。
从高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图片可以看出，随着热解温度的升高，Ru纳米晶的晶格间距逐渐均匀扩大，800摄氏度（Ru800）时为0.217纳米，900摄氏度（Ru900）时为0.225纳米，1000摄氏度时为0.230纳米（）。同步辐射X射线吸收近边结构（XANES）谱和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）结果表明，与Ru900相比，中的Ru-Ru键长更长，表明Ru晶格的膨胀导致Ru-Ru键长增加，从而增加了Ru-Ru键的不饱和度。
图3. RuX的催化性能和电响应性。
图4. DFT 计算验证了晶格扩展和电刺激对RuX POD 样活性的影响。
对不同晶格间距的Ru纳米酶催化活性的研究发现，晶格间距最大的4种酶，即过氧化物酶（POD）、氧化酶（OXD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽氧化酶（GSHOx）的活性最好。此外，在摩擦纳米发电机（TENG）提供的自供能电刺激下，Ru纳米酶的催化活性有所提高，但以晶格间距最大的提高最为显著。动力学结果初步推测晶格间距的增加通过增强活性位对底物的亲和力来促进催化。DFT计算发现，对于Ru800和Ru900，由于晶格密度和电子密度较高，H2O2的吸附为限速步骤，H2O2在上的吸附在热力学上是自发的，不需要额外的能量。施加电场后，Ru800、Ru900及表面的吸附能降低，d带中心向费米能级移动，也就是说晶格膨胀和电刺激都导致Ru电子密度降低，有利于H2O2分子的吸附，促进催化。
图5.自驱动电刺激下RuX的体外抗肿瘤作用。
图6. 的体内抗肿瘤作用。
在细胞及动物实验中，Ru纳米酶在体内和体外均具有良好的生物相容性，作用于乳腺癌细胞4T1后，细胞ROS水平升高，GSH/GSSG降低，细胞线粒体受损，细胞死亡。自供电电刺激进一步提高了肿瘤细胞杀伤和肿瘤抑制效果（图5、6）。
综上所述，本工作发现晶格膨胀和外界电刺激均能显著增强Ru纳米酶的催化活性，促进癌细胞的氧化损伤和死亡。除Ru纳米酶外，结构相似的Cu、Pt等纳米酶也遵循相同的规律。本规律发现与调控策略为纳米酶的设计提供了新的思路。
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