纳米催化医学（Nanocatalytic Medicine）

来源：X一MOL资讯

一直以来，催化和医学被认为是两个独立的研究领域，分别研究各自的科学问题。近几年纳米科学的迅猛发展，推动了这两个领域的快速交叉融合。一些在工业生产中广泛使用的纳米催化剂，例如TiO2、CeO2、Fe3O4纳米颗粒等被相继用于生物医药领域，通过在病变区域引发特定的催化反应，改变其化学微环境，从而实现对一些重大疾病，例如癌症、阿尔兹海默症、中风、伤口感染等的有效治疗。

这种催化治疗的效果主要归功于纳米材料具有在外界物理或化学刺激作用下的氧化还原能力，通过在特定生理区域产生、转化或者消除活性氧，调节局部氧化应激，最终实现癌细胞或者正常细胞的生理功能的调控。近些年来，越来越多的纳米催化剂的生物医学应用，推动着“纳米催化医学”这一新兴学科的产生和快速发展。近日，上海硅酸盐研究所的施剑林研究员团队在基于课题组在该交叉领域近几年来的研究成果，以及前期对催化治疗思想的讨论（Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 1938-1958; Chem. Rev., 2019, 119, 4881-4985），在Advanced Materials 上首次对“纳米催化医学（Nanocatalytic Medicine, NCM）”做了较为详尽的定义、论证和阐述。这一纳米医学的新兴子学科倡导基于疾病的生物化学机制，设计出合理的具有治疗效果的催化反应，同时利用材料的化学特性构建出绿色、高效的纳米催化剂，提高在生理环境的催化效率，并降低对患者的毒副作用。

在过去一个世纪中，化学家们一直追求化学反应的“高效率”和“高选择性”。在纳米催化医学中，这两者被体现为对疾病的“高治疗效率”和对患者的“低毒副作用”，通过合理构建纳米催化剂和调节化学反应的基本要素（反应物、产物、反应条件），实现对反应速率、平衡和路径的有效调控，最终使得催化反应在人体内能够表现出较好的治疗效果。在该综述中，作者们从催化反应的方程式着手，综合讨论了针对不同的病理特征如何合理设计纳米催化剂，沿着材料→化学因子→生物学效应→治疗效果这一上下关系进行系统性调控。例如，在癌症治疗中，施剑林课题组就曾构想利用纳米催化剂明显的反应特征，将肿瘤区域所特有的一些原本无毒的化学成分原位转化为有毒的物质，从而杀死癌细胞。由于正常组织内并不具有这些化学组分，这种催化反应便无法在正常组织内发生，使得正常组织不受到损伤（Nat. Commun., 2017, 8, 357）。这样，催化化学的内涵就被成功赋予在治疗中：高选择性地针对病变组织高效率地催化产生或转化生物活性物质实现低毒副作用的高效治疗。纳米催化医学这一明显特点使得其可以解决一些临床疗法（例如化疗）的技术瓶颈，给患者带来福音。

该综述首先基于化学反应原理和经典的热动力学原理，从阿伦尼乌斯方程（Arrhenius equation）和勒夏特列原理（Le Chatelier's principle）着手，提出调节催化反应“速率”和“平衡”的策略和对应在治疗中的具体应用。并且，文中还解读了如何精准调控特定化学物质的产生和消除，以及如何构建连锁催化反应实现治疗效果的最优化。接着，作者们重点讨论了肿瘤治疗的各个催化治疗的模式（化学动力学治疗，光动力学治疗，声动力学治疗，饥饿疗法）和对应的引发催化反应的策略（生物化学因子，光，超声等），对其中所涉及的催化化学原理和下游的生物学效应做了综合的解读。此外，针对其他的一些重大疾病以及临床上诊断手段，作者们也列举出了最新报道的一些纳米催化剂作为诊疗体系的实例，并提出了未来纳米催化医学在这些领域的发展前景。

此外，作者们在这篇文章内指出，在传统的药物化学中，药物在治疗过程中往往是起到“反应物”的作用，在起到初步治疗效果的同时损耗自身。如果要维持这种治疗效果，就必须提高药物剂量，但是又会带来一定的副作用。纳米催化医学倡导利用“催化剂”持续地引发化学反应实现人体从“病态”到“健康”的转变，为减少药物使用剂量，提高疾病治疗效率提供一种新的可行性方案。