1.  介紹

手性源于分子中原子的空間排列，是分子識(shí)別和催化的基礎(chǔ)。它在制藥、農(nóng)業(yè)和生物過程中起著重要作用。顯然，生物體內(nèi)的大多數(shù)基本分子都表現(xiàn)出手性，并在生理過程中優(yōu)先采用單對(duì)映體形式。例如，氨基酸以左旋(L)異構(gòu)體存在，糖以右旋(D)異構(gòu)體存在，蛋白質(zhì)的α-螺旋以D-異構(gòu)體存在。這種偏好使得這些手性生物分子和給藥的手性藥物之間的精確對(duì)映體識(shí)別成為可能，這些藥物必須匹配構(gòu)型才能有效。不匹配或相反的對(duì)映體可能是無活性的或有毒的。

目前臨床上常用的藥物中，高達(dá)50%是含多巴胺(DOPA)、紫杉醇、青蒿素、萘普生的手性藥物。在農(nóng)業(yè)中，使用了大量的手性昆蟲信息素和殺蟲劑，其中L型和D型具有不同的活性，如除草或誘變作用。由于其獨(dú)特的立體選擇性和生物相容性，手性分子被廣泛應(yīng)用于不對(duì)稱合成、手性催化、手性識(shí)別、對(duì)映體分離等領(lǐng)域，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

在過去的十年中，大量的生物醫(yī)學(xué)研究利用納米材料的手性來開發(fā)基于其對(duì)映體選擇性的各種疾病的治療方法。先前的研究表明，制備的納米顆粒(NPs)固有地表現(xiàn)出手性;然而，這些NPs通常是外消旋的，不表現(xiàn)手性信號(hào)?？紤]到當(dāng)前納米技術(shù)分離對(duì)映體的固有挑戰(zhàn)，通過合成納米材料的一般方法直接獲得單手性對(duì)映體是不可行的。1998年之前，Whetten等人在l-谷胱甘肽(GSH)的輔助下成功合成了手性金納米團(tuán)簇(Au NCs)，為手性納米材料的制備奠定了基礎(chǔ)。隨后，利用手性分子制備了Au和Ag的NCs等手性納米材料，通過影響NPs的整體構(gòu)型來產(chǎn)生手性。

迄今為止，已經(jīng)建立了各種合成方法來制造手性納米材料。這些方法包括利用不同的手性分子作為還原劑和穩(wěn)定劑，如手性谷胱甘肽、手性組蛋白(His)、手性半胱氨酸(Cys)和具有不同螺旋結(jié)構(gòu)的DNA。此外，圓偏振光(CPL)作為輔助手段促進(jìn)了手性納米材料的制備，并探索了手性分子的碳化制備具有本征手性的納米材料。

圖1：簡要介紹了手性納米酶在過去十年中的發(fā)展。

由于無機(jī)金屬氧化物納米材料被發(fā)現(xiàn)具有過氧化物酶(POD)樣活性，研究人員發(fā)現(xiàn)某些無機(jī)納米材料具有固有的天然酶模擬活性，稱為納米酶。例如，Ge等人發(fā)現(xiàn)基于Pd的NPs表現(xiàn)出類似POD的活性，并具有促進(jìn)抗壞血酸氧化的能力。此外，最近的研究表明，MoS2納米片具有多種酶模擬活性，包括POD、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)。這些特性使MoS2納米酶能夠形成自級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)，從而有效地防止氧化。已有大量研究闡明了無機(jī)材料固有的酶模擬行為，理論計(jì)算表明，納米材料可以降低催化反應(yīng)的活化能，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，從而發(fā)揮催化作用。

此外，大量研究表明，納米材料的性能與其手性等因素有著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。納米酶克服了天然酶的可回收性、活性可控、制備成本低等缺點(diǎn)。然而，缺乏立體選擇性仍然是制約納米酶進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要因素。因此，鑒于納米酶相對(duì)于天然酶的獨(dú)特優(yōu)勢和手性的立體選擇性，將手性材料的立體選擇性與納米酶的生物酶活性相結(jié)合應(yīng)該是一個(gè)有吸引力的策略。手性將賦予納米酶更多潛在的生物學(xué)應(yīng)用。盡管如此，值得注意的是，對(duì)手性納米酶的全面綜述仍然缺乏。因此，系統(tǒng)地綜述了手性納米酶的相關(guān)研究進(jìn)展。

這篇綜述精心整理了手性納米酶的進(jìn)展，跨越了它們在過去十年的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用的時(shí)間線(圖1)。首先，提出了制備手性納米酶的合成策略。基于大量證據(jù)，分析揭示了手性的起源與制造這些納米酶所使用的特定合成技術(shù)之間的強(qiáng)烈相關(guān)性。因此，強(qiáng)調(diào)了合成方法在形成這些納米結(jié)構(gòu)的手性方面的關(guān)鍵作用。隨后，根據(jù)其催化活性對(duì)手性納米酶進(jìn)行了分類。與納米酶類似，人們發(fā)現(xiàn)手性納米酶具有一系列酶模擬活性，如POD、CAT、氧化酶和裂解酶活性。這種分類使得能夠更深入地了解手性納米酶所表現(xiàn)出的多種酶特性。此外，描述了手性納米酶的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括傳感、成像和生物醫(yī)學(xué)治療。此外，還將討論手性納米酶的生物學(xué)效應(yīng)，包括手性納米酶與生物分子的相互作用、細(xì)胞識(shí)別和內(nèi)化、NPs在細(xì)胞內(nèi)生物過程中的參與以及細(xì)胞毒性。最后，對(duì)手性納米酶研究面臨的挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行了展望。

2.  手性納米酶的設(shè)計(jì)與合成

首先介紹了構(gòu)建不同類型手性納米酶的合成策略，包括基于固有手性的納米酶和基于手性分子的納米酶。手性納米酶的合成方法對(duì)其手性有重要影響。配體選擇、反應(yīng)持續(xù)時(shí)間和外部能量干預(yù)的變化有可能產(chǎn)生不同的納米材料形態(tài)、電化學(xué)構(gòu)型和立體選擇性。因此，研究手性納米酶的合成方法對(duì)推進(jìn)手性納米酶的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。

同時(shí)，值得注意的是，雖然我們在這篇綜述中討論的某些材料可能沒有明確報(bào)道為納米酶，但已經(jīng)將它們包括在這篇綜述的討論中，這種包涵擴(kuò)展到具有芬頓樣活性的材料和利用單個(gè)對(duì)映體合成的手性納米酶。雖然通常對(duì)納米材料的手性進(jìn)行成對(duì)評(píng)價(jià)，但存在僅對(duì)一種對(duì)映體進(jìn)行檢查的特定情況。因此，我們的評(píng)論線程不僅包括成對(duì)的手性納米材料，還包括單個(gè)對(duì)映體。

3.  手性納米酶的類型和催化方式

酶參與許多關(guān)鍵的過程，如代謝、能量轉(zhuǎn)換和營養(yǎng)吸收，在生物體內(nèi)。在生物工程領(lǐng)域，酶的重組表達(dá)、酶的分子設(shè)計(jì)、酶的分子修飾等方面都取得了重大進(jìn)展。因此，生物酶得到了越來越多的應(yīng)用。然而，必須承認(rèn)，盡管取得了這些進(jìn)步，酶的缺陷仍然是一個(gè)固有的挑戰(zhàn)。具有內(nèi)在酶模擬活性的NPs于2007年首次報(bào)道，被稱為納米酶。納米酶因其穩(wěn)定性、成本效益、對(duì)惡劣環(huán)境的穩(wěn)健性以及易于制備和保存而成為生物酶的可行替代品。因此，人們努力尋找具有酶模擬特性的替代材料;另一方面，許多研究旨在通過戰(zhàn)略性修飾來增加納米材料的酶模擬活性。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，Pd NCs表現(xiàn)出面依賴性的類似氧化酶的催化活性。具體而言，多面鈀立方體的酶模擬特性比(11 11)多面鈀八面體具有更高的催化活性。這些特性可以在有效的抗菌劑中實(shí)現(xiàn)。此外，還發(fā)現(xiàn)凹形結(jié)構(gòu)的Pd-NCs比平面Pd-NCs具有更有效的催化活性。然而，人工納米酶在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中仍然表現(xiàn)出一定的局限性。像其他納米酶一樣，手性納米酶本質(zhì)上表現(xiàn)出一系列的酶模擬活性，包括POD、氧化酶、CAT和SOD。這些性質(zhì)為手性納米酶的應(yīng)用打開了新的大門。

4.  手性納米酶的應(yīng)用

本節(jié)綜述了手性納米酶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。作為手性納米酶，還將討論它們在其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，借鑒手性納米材料的類似應(yīng)用報(bào)道。

5.  手性納米酶的生物學(xué)效應(yīng)

一對(duì)手性藥物對(duì)映體由于具有鏡像結(jié)構(gòu)的生物系統(tǒng)與對(duì)映體具有不同的親和能力和作用位點(diǎn)，其療效往往不一致。藥物的作用將有三種可能，包括有效、無效，甚至有毒。這些差異也可以通過檢查藥物的藥效學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)來研究。手性納米酶也保持類似的效果。對(duì)映體的生物效應(yīng)可以是相同的，也可以是完全不同的，我們稱之為手性納米酶的立體選擇性生物效應(yīng)。在本節(jié)中，回顧了手性納米酶的生物學(xué)效應(yīng)，以探索手性與生物系統(tǒng)之間的關(guān)系(圖19A)。

圖19：手性納米酶的生物學(xué)效應(yīng)。(A)當(dāng)兩個(gè)手性體系相遇時(shí)會(huì)發(fā)生什么?(B)纖維連接蛋白與手性NP膜立體特異性相互作用調(diào)控NG108-15細(xì)胞粘附示意圖。(C) dsDNA與手性Cys相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬。

6. 挑戰(zhàn)與前景

手性是分子的一種基本性質(zhì)，對(duì)分子在各種化學(xué)和生物過程中的立體選擇相互作用有著深遠(yuǎn)的影響。天然酶作為一種重要的催化劑，具有催化活性和手性選擇性。近年來，研究人員成功地將這些特性結(jié)合在了手性納米酶的開發(fā)中，這些納米酶既具有模擬酶的催化能力，又具有基于手性的對(duì)映體區(qū)分能力。這些納米結(jié)構(gòu)不僅彌補(bǔ)了生物催化和合成催化之間的差距，而且為設(shè)計(jì)具有定制性能的新材料開辟了道路。手性納米酶的相關(guān)研究尚未完全展開，但它們是有潛力取代天然生物酶的納米材料。手性納米酶將為設(shè)計(jì)新型催化納米材料提供令人興奮的機(jī)會(huì)，并在不對(duì)稱合成和手性分子識(shí)別等領(lǐng)域推進(jìn)應(yīng)用。根據(jù)目前報(bào)道的研究結(jié)果，我們提出了手性納米酶面臨的挑戰(zhàn)和展望。

(1)合成策略

手性納米酶的合理設(shè)計(jì)、精確的結(jié)構(gòu)控制和表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)調(diào)節(jié)其立體選擇性、催化性能和其他物理化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。人們設(shè)計(jì)了各種方法來制造手性材料，包括將手性分子吸附到納米材料上或通過切割晶體暴露手性扭結(jié)納米材料。與其他納米材料一樣，合成具有均勻形態(tài)、良好分散性和穩(wěn)定性的手性納米酶是主要的挑戰(zhàn)。另一方面，通過構(gòu)建手性納米酶在納米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)手性的精確控制是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因此，需要進(jìn)一步研究手性納米酶的合理設(shè)計(jì)。

（2）生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

手性納米酶的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用在傳感、成像、給藥和多功能精密治療等領(lǐng)域提供了巨大的機(jī)會(huì)。例如，利用底物特異性和聚集誘導(dǎo)的手性納米酶的增強(qiáng)可以使非侵入性光學(xué)成像方式可視化體內(nèi)的生物過程。此外，CPL近年來也被應(yīng)用于手性納米酶的研究中。由于CPL比普通光源包含和傳遞更豐富的信息，CPL與手性納米酶的結(jié)合可以拓寬手性納米酶在基因編輯、生物信息加密、生物信息存儲(chǔ)等方面的應(yīng)用領(lǐng)域。

（3）手性納米酶與生物系統(tǒng)的立體特異性相互作用

手性納米材料領(lǐng)域的一個(gè)重要限制是手性納米酶與生物系統(tǒng)之間不一致的手性立體特異性相互作用。例如，d型His@COFs對(duì)d型DOPA具有高親和力和DOPA氧化酶模擬活性，而l型CeNPs對(duì)d型DOPA也具有高親和力和催化活性。這一現(xiàn)象阻礙了我們對(duì)手性納米酶與生物系統(tǒng)之間相互作用機(jī)制的理解。同時(shí)，對(duì)手性納米酶的研究有限，缺乏對(duì)手性納米酶與生物系統(tǒng)相互作用機(jī)制的全面研究。人工智能(AI)在手性納米酶中的應(yīng)用有望提高其合成效率和可預(yù)測性。未來，人工智能可以用于研究手性納米酶與生物系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)制，從而為開發(fā)更合理、更高效的合成方法提供有價(jià)值的見解，用于臨床應(yīng)用。

由于生物屏障、微環(huán)境和組織結(jié)構(gòu)的影響，手性納米酶在體內(nèi)的命運(yùn)是多變而復(fù)雜的。為了克服這一挑戰(zhàn)，更先進(jìn)的原位分析方法被用于分析生物環(huán)境中納米酶的原位性能。值得一提的是，基于同步輻射的分析方法在分析界面相互作用方面表現(xiàn)出了出色的能力。然而，必須注意的是，原位和時(shí)間分辨XAS分析需要樣品中目標(biāo)元素的高含量，以確保令人滿意的信噪比。因此，為了克服單個(gè)方法的局限性，考慮多種分析技術(shù)的結(jié)合變得勢在必行。這種方法使研究人員能夠更系統(tǒng)、更深入地了解納米材料與生物體之間相互作用的整個(gè)過程。

仿生手性納米酶遵循大自然的智慧，為生物醫(yī)學(xué)開辟了一條令人興奮和充滿希望的道路。本文旨在為手性納米酶的發(fā)展提供思路，希望能引起研究人員對(duì)手性和納米酶領(lǐng)域的更多關(guān)注。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，我們期望將來會(huì)有更多的生物啟發(fā)策略被用于設(shè)計(jì)和制造仿生納米酶。