在与癌症抗争的漫长道路上，科学家们从未停止探索更有效、更安全的治疗方法。传统的癌症疗法往往伴随着严重的副作用，而精准靶向治疗和创新纳米技术正为患者带来新的希望。近年来，纳米催化剂因其独特的生物医学应用前景而备受关注，尤其是在调节生物微环境和增强治疗效果方面。然而，如何克服传统纳米催化剂的局限性，实现更高效、更精准的肿瘤治疗，一直是科研人员面临的挑战。
癌症治疗新视野：单金属原子催化剂（SACs）的崛起
面对传统纳米催化剂存在的金属原子利用率低和催化活性不足等问题，单金属原子催化剂（SACs）应运而生。SACs以其明确的结构和最大化的原子利用率，成为生物医学领域的研究热点。它们不仅展现出更高的催化活性和选择性，还能通过精确调节金属中心和配位结构来优化其性能。在肿瘤治疗领域，SACs更是潜力巨大，它们能够模拟过氧化物酶的活性，在肿瘤微环境中生成活性氧物种（ROS），从而破坏癌细胞的氧化还原平衡，最终诱导细胞死亡。
这项前沿研究的核心内容，正是关于SACs的制备、表征及其在生物医学应用中的深入探索。南洋理工大学的赵彦利、Liu Yang等研究团队，将他们的发现以“Preparation and biomedical applications of single-metal atom catalysts”为题，发表在国际权威期刊《Nature Protocols》上，为癌症治疗带来了新的“神器”构想。
SACs：精准抗癌的纳米利器
SACs的独特优势与作用机制
单金属原子催化剂（SACs）的独特之处在于，它们将单个金属原子锚定在载体材料上，从而实现了原子利用率的最大化。这种设计不仅赋予了SACs卓越的催化活性，还使其具备了高度的选择性。通过改变金属中心和配位结构，科学家们可以对SACs的催化性能进行精准调控，使其更适应特定的生物环境。
在肿瘤治疗中，SACs展现出强大的潜力。它们能够利用肿瘤微环境（TME）的特性，例如其特有的酸性或高过氧化氢浓度，通过类过氧化物酶活性高效产生活性氧物种（ROS）。这些ROS能够有效破坏癌细胞内部的氧化还原平衡，进而诱导细胞凋亡或坏死，从而达到抑制肿瘤生长的目的。
图1 SACs的结构和合成过程示意图
如图1所示，SACs通过将单金属原子嵌入氮掺杂的碳载体中，显著提高了表面原子比例和表面自由能，从而增强了催化活性。其合成过程包括前驱体的制备、热解以及表面修饰等关键步骤，最终形成具有特定配位结构的SACs。此外，该图还直观展示了SACs如何在肿瘤微环境中通过类过氧化物酶活性产生活性氧物种（ROS），进而实现对肿瘤的治疗效果。
图2 协议流程图
图2以流程图的形式概述了SACs的制备和生物医学应用的完整过程，涵盖了从材料选择到效果评估的各个环节，并强调了实验中的关键控制点。
南洋理工大学前沿研究：SACs的制备与应用
精心设计与制备：从MOF到SACs
该研究团队详细介绍了基于氮掺杂碳载体（N-C）的SACs的设计与制备方法。通过热解金属-有机框架（MOF）或聚多巴胺衍生材料，研究人员成功制备出多种具有不同配位结构的SACs，包括Cu-N4、Ir-N5、Co-PN3和Cu-SN3等。这些精密的合成方案为SACs在生物医学领域的应用奠定了基础。
图3 SACs的合成方案
图3通过化学结构式和反应步骤清晰地说明了从金属盐和有机配体出发，经过配位、热解和后处理等步骤，最终形成具有不同配位结构的SACs（如Cu-N4、Cu-SN3、Ir-N5和Co-PN3）。图中还标注了关键的反应条件，为实验操作提供了具体指导。
严谨表征：揭示纳米结构奥秘
为了验证SACs的结构和性能，研究团队采用了多种先进的物理化学表征技术。透射电子显微镜（TEM）图像显示，SACs具有均匀的分散性和规则的形态，未出现明显的金属聚集，这有力证明了单金属原子的成功锚定。X射线衍射（XRD）图谱进一步证实了金属原子以单原子形式存在，且载体材料为石墨碳。
图4 SACs的TEM图像和XRD图谱
图4展示了四种SACs（Cu-N4、Cu-SN3、Ir-N5和Co-PN3）的透射电子显微镜（TEM）图像和X射线衍射（XRD）图谱。TEM图像显示了SACs的均匀分散性和规则形态，没有明显的金属聚集，证明了单金属原子的成功锚定。XRD图谱则表明，经过热解处理后，前驱体的特征峰消失，取而代之的是石墨碳的宽峰，且未检测到金属的晶态峰，进一步证实了金属原子以单原子形式存在。
此外，X射线吸收光谱（XAS）分析（包括XANES和EXAFS）揭示了金属原子的价态、配位数和配位原子类型等关键信息，证实了配位结构的成功调控。
图5 Cu-N4 SACs的XAS表征
图6 Cu-SN3 SACs的XAS表征
图7 Ir-N5 SACs的XAS表征
图8 Co-PN3 SACs的XAS表征
图5-图8分别展示了Cu-N4、Cu-SN3、Ir-N5和Co-PN3 SACs的X射线吸收光谱（XAS）表征结果。这些图谱通过XANES和EXAFS分析，详细揭示了金属原子的价态、配位数和配位原子类型等信息，进一步验证了配位结构的成功调控。
卓越性能：体外与体内肿瘤抑制效果
在性能评估方面，动态光散射（DLS）测量显示，经过蛋白质修饰后的SACs在水溶液中具有更好的分散性和更负的表面电荷，表明蛋白质修饰的成功。催化性能测试通过TMB显色反应评估了SACs的类过氧化物酶活性，结果表明Cu-SN3 SACs相较于Cu-N4 SACs具有更高的催化活性，再次印证了配位结构对催化性能的显著影响。
图9 SACs的DLS测量和催化性能测试
图9展示了SACs的动态光散射（DLS）测量结果和类过氧化物酶活性测试。DLS结果显示，经过蛋白质修饰后的SACs在水溶液中具有更好的分散性，且表面电荷更负，表明蛋白质成功修饰在SACs表面。催化性能测试则通过TMB显色反应评估了SACs的类过氧化物酶活性，发现Cu-SN3 SACs相较于Cu-N4 SACs具有更高的催化活性，表明配位结构的调控能够显著影响SACs的催化性能。
更令人振奋的是，SACs在生物医学应用中的实验结果。细胞毒性实验、细胞内活性氧（ROS）产生检测、活/死细胞染色以及体内肿瘤抑制效果评估均显示，SACs在模拟肿瘤微环境条件下对癌细胞具有显著的抑制作用。特别是经过蛋白质修饰的SACs@蛋白复合物，在体内展现出更强的肿瘤抑制效果，充分证明了其在肿瘤治疗中的巨大潜在应用价值。
图10 SACs的生物医学应用实验结果
图10汇总了SACs在生物医学应用中的实验结果，包括细胞毒性、细胞内活性氧（ROS）产生、活/死细胞染色以及体内肿瘤抑制效果评估。结果清晰地表明，SACs在模拟肿瘤微环境条件下对癌细胞具有显著的抑制作用，且经过蛋白质修饰的SACs@蛋白复合物在体内展现出更强的肿瘤抑制效果，证明了其在肿瘤治疗中的潜在应用价值。
展望未来：SACs在癌症治疗中的巨大潜力
这项研究为单金属原子催化剂（SACs）在癌症治疗领域的应用开辟了新的道路。通过精巧的设计和表面修饰，SACs被证明可以作为一种高效、低毒的纳米催化剂，在模拟肿瘤微环境条件下表现出优异的类过氧化物酶活性，并有效抑制肿瘤生长。尽管这项技术仍处于研究阶段，但其展现出的巨大潜力预示着未来癌症治疗可能迎来革命性的突破。
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原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41596-025-01199-9
