1.  介紹

手性源于分子中原子的空間排列，是分子識別和催化的基礎。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)先采用單對映體形式。例如，氨基酸以左旋(L)異構體存在，糖以右旋(D)異構體存在，蛋白質(zhì)的α-螺旋以D-異構體存在。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映體識別成為可能，這些藥物必須匹配構型才能有效。不匹配或相反的對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。由于其獨特的立體選擇性和生物相容性，手性分子被廣泛應用于不對稱合成、手性催化、手性識別、對映體分離等領域，特別是在生物醫(yī)學領域。

在過去的十年中，大量的生物醫(yī)學研究利用納米材料的手性來開發(fā)基于其對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?？紤]到當前納米技術分離對映體的固有挑戰(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簇(Au NCs)，為手性納米材料的制備奠定了基礎。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)和具有不同螺旋結構的DNA。此外，圓偏振光(CPL)作為輔助手段促進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聯(lián)催化反應，從而有效地防止氧化。已有大量研究闡明了無機材料固有的酶模擬行為，理論計算表明，納米材料可以降低催化反應的活化能，促進電子轉移，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綜復雜的關系。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。然而，缺乏立體選擇性仍然是制約納米酶進一步發(fā)展的一個重要因素。因此，鑒于納米酶相對于天然酶的獨特優(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合應該是一個有吸引力的策略。手性將賦予納米酶更多潛在的生物學應用。盡管如此，值得注意的是，對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研究進展。

這篇綜述精心整理了手性納米酶的進展，跨越了它們在過去十年的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應用的時間線(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之間的強烈相關性。因此，強調(diào)了合成方法在形成這些納米結構的手性方面的關鍵作用。隨后，根據(jù)其催化活性對手性納米酶進行了分類。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)學應用，包括傳感、成像和生物醫(yī)學治療。此外，還將討論手性納米酶的生物學效應，包括手性納米酶與生物分子的相互作用、細胞識別和內(nèi)化、NPs在細胞內(nèi)生物過程中的參與以及細胞毒性。最后，對手性納米酶研究面臨的挑戰(zhàn)和前景進行了展望。

2.  手性納米酶的設計與合成

首先介紹了構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其手性有重要影響。配體選擇、反應持續(xù)時間和外部能量干預的變化有可能產(chǎn)生不同的納米材料形態(tài)、電化學構型和立體選擇性。因此，研究手性納米酶的合成方法對推進手性納米酶的開發(fā)和應用具有重要意義。

同時，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，這種包涵擴展到具有芬頓樣活性的材料和利用單個對映體合成的手性納米酶。雖然通常對納米材料的手性進行成對評價，但存在僅對一種對映體進行檢查的特定情況。因此，我們的評論線程不僅包括成對的手性納米材料，還包括單個對映體。

3.  手性納米酶的類型和催化方式

酶參與許多關鍵的過程，如代謝、能量轉換和營養(yǎng)吸收，在生物體內(nèi)。在生物工程領域，酶的重組表達、酶的分子設計、酶的分子修飾等方面都取得了重大進展。因此，生物酶得到了越來越多的應用。然而，必須承認，盡管取得了這些進步，酶的缺陷仍然是一個固有的挑戰(zhàn)。具有內(nèi)在酶模擬活性的NPs于2007年首次報道，被稱為納米酶。納米酶因其穩(wěn)定性、成本效益、對惡劣環(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現(xiàn)。此外，還發(fā)現(xiàn)凹形結構的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)學應用中仍然表現(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)為手性納米酶的應用打開了新的大門。

4.  手性納米酶的應用

本節(jié)綜述了手性納米酶在生物醫(yī)學領域的研究進展。作為手性納米酶，還將討論它們在其他領域的潛在應用，借鑒手性納米材料的類似應用報道。

5.  手性納米酶的生物學效應

一對手性藥物對映體由于具有鏡像結構的生物系統(tǒng)與對映體具有不同的親和能力和作用位點，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和藥代動力學來研究。手性納米酶也保持類似的效果。對映體的生物效應可以是相同的，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。在本節(jié)中，回顧了手性納米酶的生物學效應，以探索手性與生物系統(tǒng)之間的關系(圖19A)。

圖19：手性納米酶的生物學效應。(A)當兩個手性體系相遇時會發(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細胞粘附示意圖。(C) dsDNA與手性Cys相互作用的分子動力學模擬。

6. 挑戰(zhàn)與前景

手性是分子的一種基本性質(zhì)，對分子在各種化學和生物過程中的立體選擇相互作用有著深遠的影響。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映體區(qū)分能力。這些納米結構不僅彌補了生物催化和合成催化之間的差距，而且為設計具有定制性能的新材料開辟了道路。手性納米酶的相關研究尚未完全展開，但它們是有潛力取代天然生物酶的納米材料。手性納米酶將為設計新型催化納米材料提供令人興奮的機會，并在不對稱合成和手性分子識別等領域推進應用。根據(jù)目前報道的研究結果，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計、精確的結構控制和表面化學性質(zhì)對調(diào)節(jié)其立體選擇性、催化性能和其他物理化學性質(zhì)至關重要。人們設計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，通過構建手性納米酶在納米尺度上實現(xiàn)對手性的精確控制是另一個重大挑戰(zhàn)。因此，需要進一步研究手性納米酶的合理設計。

（2）生物醫(yī)學應用

手性納米酶的生物醫(yī)學應用在傳感、成像、給藥和多功能精密治療等領域提供了巨大的機會。例如，利用底物特異性和聚集誘導的手性納米酶的增強可以使非侵入性光學成像方式可視化體內(nèi)的生物過程。此外，CPL近年來也被應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、生物信息存儲等方面的應用領域。

（3）手性納米酶與生物系統(tǒng)的立體特異性相互作用

手性納米材料領域的一個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d型DOPA具有高親和力和DOPA氧化酶模擬活性，而l型CeNPs對d型DOPA也具有高親和力和催化活性。這一現(xiàn)象阻礙了我們對手性納米酶與生物系統(tǒng)之間相互作用機制的理解。同時，對手性納米酶的研究有限，缺乏對手性納米酶與生物系統(tǒng)相互作用機制的全面研究。人工智能(AI)在手性納米酶中的應用有望提高其合成效率和可預測性。未來，人工智能可以用于研究手性納米酶與生物系統(tǒng)之間的相互作用機制，從而為開發(fā)更合理、更高效的合成方法提供有價值的見解，用于臨床應用。

由于生物屏障、微環(huán)境和組織結構的影響，手性納米酶在體內(nèi)的命運是多變而復雜的。為了克服這一挑戰(zhàn)，更先進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，原位和時間分辨XAS分析需要樣品中目標元素的高含量，以確保令人滿意的信噪比。因此，為了克服單個方法的局限性，考慮多種分析技術的結合變得勢在必行。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過程。

仿生手性納米酶遵循大自然的智慧，為生物醫(yī)學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手性和納米酶領域的更多關注。隨著納米技術的進步，我們期望將來會有更多的生物啟發(fā)策略被用于設計和制造仿生納米酶。