科學家首次發現氧化鐵納米顆粒模擬酶

《自然—納米技術》：拓展了磁性納米顆粒的應用范圍
 
中國科學院生物物理研究所閻錫蘊研究小組的《氧化鐵納米顆粒具有過氧化物酶活性》一文，日前在9月份出版的《自然—納米技術》雜志上發表。該刊物同時配發的評論文章《氧化鐵納米顆粒：蘊藏的功能》稱：“閻錫蘊、柯沙和同事們首次發現氧化鐵納米顆粒具有類似過氧化物酶的催化活性，并提出了氧化鐵納米顆粒模擬酶的概念。這一發現不僅為惰性金屬材料在納米尺度具有催化活性的學說提供了新的論據，而且拓展了磁性納米顆粒的應用。雖然如何在生物技術和醫療領域更好地利用納米材料的催化活性還有待探索，但氧化鐵納米顆粒催化活性的發現，無疑將使人們對此產生更多的關注。”
 
據評論文章介紹，在納米醫學研究中，氧化鐵納米顆粒作為一種理想材料，可用于疾病診斷、控制藥物釋放和體內分子成像。氧化鐵納米顆粒通常用于分離和純化蛋白質、DNA、病毒和細胞。這主要利用氧化鐵納米顆粒的磁性，如果將其表面連接抗體—— 一種能夠特異識別生物分子的蛋白質，它便具有靶向識別和磁性分離的雙重功能。在醫學應用中，傳統的檢測方法是將納米顆粒的磁分離作用與酶標記的抗體免疫反應結合起來，后者通過酶催化底物顯色顯示生物分子的存在并進行定量。
 
閻錫蘊研究員長期從事腫瘤抗體研究，近年來主持著國家“863”計劃“腫瘤抗體藥物”課題、國家自然科學基金及中科院方向性研究項目，并參與國家“973”納米生物學研究項目。她說：“這一發現是典型的學科交叉產物，是免疫學、生物化學和材料學共同合作研究的結果。這一發現在意料之外，但在情理之中。”
 
據閻錫蘊介紹，她的研究小組最初的試驗設計是為了尋找腫瘤細胞新靶標，在磁性納米顆粒上連接了他們已獲得發明ZL的“抗體”，希望研制一種新的具有識別抗原和磁性分離雙重功能的免疫納米顆粒，用于腫瘤的診斷和治療。然而，在鑒定抗體分子是否連接氧化鐵納米顆粒時，研究人員遇到了不能排除的本底噪音。在用盡各種方法排查之后，他們沒有得到預期的結果。研究小組由此推測，磁性納米顆粒可能具有另外一種尚未被發現和證明的性質，這種性質很可能是過氧化物酶的催化活性。
 
為了證明這一推斷，閻錫蘊研究小組從不同納米材料研究機構取樣，并對不同大小尺寸的氧化鐵納米顆粒材料分別進行研究，試驗最終證實了研究小組的推測是正確的。隨后，研究小組又利用納米顆粒模擬酶的這一新特性，設計了多種免疫檢測方法，實現了對乙肝病毒表面抗原和肌鈣蛋白的檢測。并將其與具有蛋白質性質的辣根過氧化物酶進行比較，發現這種納米顆粒模擬酶具有制備簡單、經濟、耐高溫和耐酸堿等諸多優勢。在此基礎上，他們研制了多種新型免疫檢測模型，拓展了氧化鐵納米顆粒在其他方面的新用途。例如，污水處理和酸雨檢測。
 
閻錫蘊說，由于國家、中科院和中科院生物物理所對于納米生物學和納米醫學等交叉學科的重視，使她這樣從事腫瘤抗體研究的學者有機會參與納米科學的研究，有機會與物理、化學等領域的專家合作，從而促使她關注納米材料和納米技術與生物學的結合點，并有了這項成果。她說，研究人員對研究中出現的看似偶然和不可能的現象，不能輕易放棄，特別是實驗結果與預期相左時更應如此。只有進行認真分析，才可能會有意外的發現。這便是科學探索的本質。

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生物通

來自中科院生物物理研究所的研究人員發現氧化鐵納米顆粒具有類似過氧化物酶的催化活性，這一發現不僅為惰性金屬材料在納米尺度具有催化活性的學說提供了新的論據，而且拓展了磁性納米顆粒的應用。這一研究成果公布在《自然—納米技術》雜志上。

領導這一研究的是閻錫蘊博士，其1997年入選“百人計劃”，從事腫瘤分子免疫學。《自然—納米技術》配發的評論文章認為：“閻錫蘊、柯沙和同事們首次發現氧化鐵納米顆粒具有類似過氧化物酶的催化活性，并提出了氧化鐵納米顆粒模擬酶的概念。這一發現不僅為惰性金屬材料在納米尺度具有催化活性的學說提供了新的論據，而且拓展了磁性納米顆粒的應用。雖然如何在生物技術和醫療領域更好地利用納米材料的催化活性還有待探索，但氧化鐵納米顆粒催化活性的發現，無疑將使人們對此產生更多的關注。”

原文檢索:
Nature Nanotechnology 2, 577 - 583 (2007)
Published online: 26 August 2007 | doi:10.1038/nnano.2007.260
Intrinsic peroxidase-like activity of ferromagnetic nanoparticles  [Abstract]

據評論文章介紹，在納米醫學研究中，氧化鐵納米顆粒作為一種理想材料，可用于疾病診斷、控制藥物釋放和體內分子成像。氧化鐵納米顆粒通常用于分離和純化蛋白質、DNA、病毒和細胞。這主要利用氧化鐵納米顆粒的磁性，如果將其表面連接抗體—— 一種能夠特異識別生物分子的蛋白質，它便具有靶向識別和磁性分離的雙重功能。在醫學應用中，傳統的檢測方法是將納米顆粒的磁分離作用與酶標記的抗體免疫反應結合起來，后者通過酶催化底物顯色顯示生物分子的存在并進行定量。

閻錫蘊研究員長期從事腫瘤抗體研究，近年來主持著國家“863”計劃“腫瘤抗體藥物”課題、國家自然科學基金及中科院方向性研究項目，并參與國家“973”納米生物學研究項目。她說：“這一發現是典型的學科交叉產物，是免疫學、生物化學和材料學共同合作研究的結果。這一發現在意料之外，但在情理之中。”

據閻錫蘊介紹，她的研究小組最初的試驗設計是為了尋找腫瘤細胞新靶標，在磁性納米顆粒上連接了他們已獲得發明ZL的“抗體”，希望研制一種新的具有識別抗原和磁性分離雙重功能的免疫納米顆粒，用于腫瘤的診斷和治療。然而，在鑒定抗體分子是否連接氧化鐵納米顆粒時，研究人員遇到了不能排除的本底噪音。在用盡各種方法排查之后，他們沒有得到預期的結果。研究小組由此推測，磁性納米顆粒可能具有另外一種尚未被發現和證明的性質，這種性質很可能是過氧化物酶的催化活性。

為了證明這一推斷，閻錫蘊研究小組從不同納米材料研究機構取樣，并對不同大小尺寸的氧化鐵納米顆粒材料分別進行研究，試驗最終證實了研究小組的推測是正確的。隨后，研究小組又利用納米顆粒模擬酶的這一新特性，設計了多種免疫檢測方法，實現了對乙肝病毒表面抗原和肌鈣蛋白的檢測。并將其與具有蛋白質性質的辣根過氧化物酶進行比較，發現這種納米顆粒模擬酶具有制備簡單、經濟、耐高溫和耐酸堿等諸多優勢。在此基礎上，他們研制了多種新型免疫檢測模型，拓展了氧化鐵納米顆粒在其他方面的新用途。例如，污水處理和酸雨檢測。

閻錫蘊說，由于國家、中科院和中科院生物物理所對于納米生物學和納米醫學等交叉學科的重視，使她這樣從事腫瘤抗體研究的學者有機會參與納米科學的研究，有機會與物理、化學等領域的專家合作，從而促使她關注納米材料和納米技術與生物學的結合點，并有了這項成果。她說，研究人員對研究中出現的看似偶然和不可能的現象，不能輕易放棄，特別是實驗結果與預期相左時更應如此。只有進行認真分析，才可能會有意外的發現。這便是科學探索的本質。

附：
閻錫蘊

簡歷：
1992年獲德國海德堡大學博士；

1996年在美國Memorial Sloan-Kettering癌癥研究中心完成博士后工作；

1997年入選“百人計劃”，從事腫瘤分子免疫學。

研究工作摘要：

研究抗體分子的結構與功能：集中研究抗體人源化和抗體親和力成熟，建立相關基因工程抗體技術平臺；

尋找腫瘤標志物：發現和鑒定腫瘤特異抗原和相關抗原，研究抗原分子在腫瘤生長和轉移中的作用機制，建立腫瘤藥物篩選分子模型；

活細胞內單分子行為研究：從單分子和單個活細胞兩個層次探測細胞膜蛋白及其配體在信號識別和信號傳遞過程中的行為特征與功能。

代表性論文:

Lin, Y., Yan, X., Cao, W., Wang, C., Xie, S. & Feng, J. Probing the Structure of the SARS Coronavirus Using Scanning Electron Microscopy. ANTIVIR THER 9, 169-171 (2004).

Liu, Q., Yan, X., Li, Y., Zhang, Y., Zhao, X. & Shen, Y. P reeclampsia is Associated with the Failure of Melanoma Cell Adhesion Molecule (MCAM/CD146) Expression by Intermediate Trophoblast. LAB INVEST 84, 221-228 (2004).

Yan, X. , Lin, Y., Yang, D., Shen,Y., Yuan, M., Zhang, Z., Li, P., Xia, H., Li, L., Luo, D., Liu, Q., Mann, K. & Bader B.L. A Novel Anti-CD146 Monoclonal Antibody, AA98, Inhibits Angiogenesis and Tumor Growth. Blood 102, 184-191 (2003).

Yan, X., Tang, J., Wu, X., Wang, F., Li, J., Yang, D. Human Single Chain Antibody to Vascular Endothelial Growth Factor: Gene Cloning, High-level expression, Affinity Maturation and Bioactivity. SCI CHINA SER C 43, 232- 238 (2000).

Xiyun Yan, Stephen V.Evans, Marcin J. Kaminke, Stephen D.Gillies, Ralph A.Reisfeld, Alan N. Houghton, and Paul B. Chapman. Characterization of an Ig VH idiotope that results in specific homophilic binding and increased avidity for antigen. J IMMUNOL 157(4), 1582-1588 (1996).