【Sci. China Chem.】华中师范大学朱成周教授团队:铋位点实现光调控纳米酶抑制用于药物分析


药物分析通常依赖于昂贵的酶。作为酶的潜在替代品,纳米酶表现出天然酶所缺乏的独特的物理化学性质。然而,由于纳米酶缺乏类似酶的精密活性口袋,复制酶的复杂抑制行为仍然具有挑战性。华中师范大学朱成周教授团队报道了一种铋掺杂金属有机骨架纳米酶(Bi/MOF-808),实现了光调控其类水解酶活性和药物抑制模式,从而用于药物分析。实验结果表明,Bi位点的引入不仅增强了MOFs的路易斯酸性,使其本征活性增强了3.23倍;而且调控了光照条件下MOFs表面的M-OH含量,使得Bi/MOF-808的类水解酶样活性相较于未光照的MOF-808提高了13.01倍,并影响了其底物抑制机制。具体而言,光照会增加MOFs表面的M-OH含量,导致骨质疏松药物对Bi/MOF-808的抑制模式发生改变。值得注意的是,杂质的残留或药物变质会显著影响光调控药物抑制模式,这使得药物的特异性抑制模式可作为识别合格药物的指纹。基于此,构建了基于Bi/MOF-808纳米酶的比色传感器阵列,成功实现了对骨质疏松药物的品质分析。相关研究成果发表于Sci. China Chem.
药物在疾病治疗中起着至关重要的作用。目前,传统药物质量检测依赖大型仪器(如红外光谱、质谱等),但其操作复杂、成本高,不适合用于现场快速检测。鉴于许多药物的治疗机制涉及对目标酶的抑制,基于酶的检测试剂盒是一种便捷且快速的方法。由于酶与药物之间存在特定的相互作用,合格的药物对酶表现出特定的抑制模式,而药物中的杂质或者药物变质则会干扰这种抑制模式。虽然酶具有特异性强的优点,但其稳定性差、成本高限制了其广泛应用。纳米酶作为酶替代品,具有稳定性高、成本低、可设计性强等优势,但缺乏像天然酶那样精密的活性位点结构,导致难以复刻其抑制行为。
该研究提出并合成了一种铋掺杂的锆基金属有机框架(Bi/MOF-808)纳米酶,具备以下特点:
(1)光响应性:Bi的引入赋予MOFs光响应能力,在光照条件下,其类磷酸水解酶活性可提高13.01倍。
(2)光调控抑制模式:光照会影响材料表面M-OH含量,从而使得药物对Bi/MOF-808纳米酶的抑制模式发生转变。
(3)适用于药物质量分析:骨质疏松药物变质或者杂质的残留会干扰其光调控抑制模式,从而形成独特的“抑制指纹”,实现药物品质分析。
1、材料合成与表征
以ZrOCl₂·8H₂O、1,3,5-苯三羧酸和BiCl₃为前驱体,采用一锅法制备了Bi/MOF-808。通过TEM、SEM、XRD、FTIR、XPS、BET等表征手段,确认Bi元素的成功掺杂。

图一:(a)Bi/MOF-808的TEM和(b)HAADF-STEM及相应的EDS图谱。(c) MOFs的XRD谱图和(d)77 K下的N₂吸附等温线。(e) MOFs的FTIR光谱和(f)O 1s XPS光谱。(图片来源:Sci. China Chem.)
2、类酶活性表征和机理研究
使用p-NPP为底物,监测水解产物p-NP在405 nm的吸光度变化。Bi掺杂提高了MOFs的路易斯酸性,使MOFs本身的类水解酶活性提高了3.23倍。此外,与未光照的MOF-808相比,光照后的Bi/MOF-808类水解酶活性提高了13.01倍。这是由于Bi/MOF-808表面的M-OH含量随着光照的增加而增加,使得形成更多的电负性亲核基团攻击底物,加速了水解反应。

图二:(a)p-NPP水解反应示意图。(b)在光照和不光照下MOFs对不同浓度p-NPP的稳态动力学分析。(c)MOFs的CD₃CN吸附的FTIR光谱。(d)MOFs的能带结构。(e)Bi/MOF-808在光照和不光照下的原位XPS光谱。(f)Bi/MOF-808在光照和不光照下的原位ATR-FTIR光谱。(g)光照下Bi/MOF-808中Bi-OH的形成机理。(图片来源:Sci. China Chem.)
3、抑制机制研究
以阿仑膦酸钠(Alen)作为模型药物,研究其对Bi/MOF-808的抑制作用。通过Alen对Bi/MOF-808的抑制动力学实验,总结得到不同浓度药物作用下的Vₘₐₓ和Kₘ值以及对应的Lineweaver-Burk图,朱成周教授团队发现在无光照条件下,Alen表现为非竞争型抑制,而在光照条件下则转变为反竞争型抑制。他们提出在没有光照的情况下,Alen吸附在Bi/MOF-808的Bi位点周围,阻止了Bi-OH的形成,导致非竞争性抑制。而在光照下,Bi-OH含量的增加,促使Alen吸附在Bi/MOF-808的Zr位点上,阻止了水解,发生了非竞争抑制和反竞争抑制的混合抑制模式。

图三:(a)不同Alen浓度下Bi/MOF-808对p-NPP的水解速度。(b)Bi/MOF-808在不同Alen浓度下对不同浓度p-NPP的稳态动力学分析。(c)光照前后不同Alen浓度下Bi/MOF-808的Kₘ和Vₘₐₓ。(d)光照时不同浓度Alen下Bi/MOF-808的Lineweaver-Burk图。(e)光调控药物对Bi/MOF-808的抑制模式的机制示意图。(图片来源:Sci. China Chem.)
4、药物质量分析应用
光调控骨质疏松药物对Bi/MOF-808的抑制模式可作为药物的一种特征指纹,而药物变质或者杂质的残留会干扰这种特定的抑制模式。通过光照和不光照条件下两条通路获得药物的抑制率,构建了比色阵列传感,实现了药物品质分析。

图四:(a)药物区分示意图。(b)骨质疏松药物和其他药物的HCA区分图。(c)添加磷酸和磷酸二氢钠后的药物PCA图(1-3为合格药物,4-9为添加了10%前体杂质的药物)。(d)加入市售Alen和Rise的反应体系在无光照时的吸收光谱。(e)市售Alen和Rise的质量测定。(图片来源:Sci. China Chem.)
综上所述,Bi掺杂Zr基金属有机框架(Bi/MOF-808)中光调控药物抑制模式可以作为识别合格药物的指纹,并且杂质的存在和药物的变质会显着干扰抑制模式的光调节。基于上述研究,该团队成功构建了Bi/MOF-808的比色传感器阵列进而用于骨质疏松症药物的品质分析。
声明:本文仅用于学术文章转载分享,不做盈利使用,如有侵权,请及时联系小编删除。
