生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)絕大多數(shù)屬于酶促反應(yīng)，無論是內(nèi)源酶或外源酶引發(fā)的活體催化反應(yīng)，其過程都伴隨著多種分子事件的動態(tài)變化，而通過分子影像手段對這些分子事件進(jìn)行同步實(shí)時(shí)的監(jiān)測，能夠加深人們對這些生物學(xué)過程的理解。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了要有靈敏的成像技術(shù)，還需要穩(wěn)定的酶促催化系統(tǒng)。

近日，深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院黃鵬團(tuán)隊(duì)在 Nature 子刊 Nature Communications 上發(fā)表了題為：In vivo three-dimensional multispectral photoacoustic imaging of dual enzyme-driven cyclic cascade reaction for tumor catalytic therapy 的研究論文。

研究團(tuán)隊(duì)利用天然酶和納米酶聯(lián)姻，成功地構(gòu)建了級聯(lián)催化反應(yīng)系統(tǒng)（PMNSG），該系統(tǒng)具體由天然酶（葡萄糖氧化酶，GOx）和納米酶（二維鈀鉬納米酶，PMNS）組成。該研究發(fā)展了多光譜三維光聲（3D PA）成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了活體級聯(lián)催化反應(yīng)中多分子事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為腫瘤催化治療提供了精確指導(dǎo)。

該級聯(lián)催化反應(yīng)系統(tǒng)中，PMNS具有過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）等模擬酶活性，可將細(xì)胞內(nèi)過氧化氫（H2O2）分別催化生成氧氣（O2）和高細(xì)胞毒性的羥基自由基（OH）。而GOx能有效催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和H2O2，可為上述納米酶促反應(yīng)提供反應(yīng)物。因此，該級聯(lián)催化系統(tǒng)可以高效地誘導(dǎo)內(nèi)源性氧合血紅蛋白（OxyHb）和脫氧血紅蛋白（DeoxyHb）的PA信號變化。

同時(shí)，由于PMNS具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能，除了可以高效地增強(qiáng)上述級聯(lián)酶促反應(yīng)，還可以提供PA導(dǎo)航。基于此，該團(tuán)隊(duì)利用多光譜3D PA成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上述級聯(lián)催化過程中動態(tài)分子事件的同步無創(chuàng)監(jiān)測，并構(gòu)建了內(nèi)源性（OxyHb和DeoxyHb）和外源性（PMNS）分子之間的相關(guān)性，通過分析三者之間的關(guān)聯(lián)，可深刻理解上述多分子事件的動態(tài)變化過程。

尤為重要地是，分析上述得到的關(guān)聯(lián)性，可作為信息反饋用于精準(zhǔn)指導(dǎo)腫瘤的催化治療，從而大大地提高腫瘤治療的療效。該研究為活體催化過程中多分子事件的可視化提供了理論基礎(chǔ)，有望為疾病的精準(zhǔn)診療提供新的解決方案。

深圳大學(xué)雷珊博士后和張景碩士研究生為共同第一作者，黃鵬教授為通訊作者。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29082-1