Enhancing radiation-resistance and peroxidase-like activity of single-atom copper nanozyme via local coordination manipulation

抗辐射性 化学 过氧化物酶 活动站点 放射治疗 生物物理学 生物化学 生物 医学 内科学
作者
Jiabin Wu,Xianyu Zhu,Qun Li,Qiang Fu,Bingxue Wang,Beibei Li,Shanshan Wang,Qingchao Chang,Huandong Xiang,Chengliang Ye,Qiqiang Li,Liang Huang,Liang Yan,Dingsheng Wang,Yuliang Zhao,Yadong Li
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50416-8
摘要

Abstract The inactivation of natural enzymes by radiation poses a great challenge to their applications for radiotherapy. Single-atom nanozymes (SAzymes) with high structural stability under such extreme conditions become a promising candidate for replacing natural enzymes to shrink tumors. Here, we report a CuN 3 -centered SAzyme (CuN 3 -SAzyme) that exhibits higher peroxidase-like catalytic activity than a CuN 4 -centered counterpart, by locally regulating the coordination environment of single copper sites. Density functional theory calculations reveal that the CuN 3 active moiety confers optimal H 2 O 2 adsorption and dissociation properties, thus contributing to high enzymatic activity of CuN 3 -SAzyme. The introduction of X-ray can improve the kinetics of the decomposition of H 2 O 2 by CuN 3 -SAzyme. Moreover, CuN 3 -SAzyme is very stable after a total radiation dose of 500 Gy, without significant changes in its geometrical structure or coordination environment, and simultaneously still retains comparable peroxidase-like activity relative to natural enzymes. Finally, this developed CuN 3 -SAzyme with remarkable radioresistance can be used as an external field-improved therapeutics for enhancing radio-enzymatic therapy in vitro and in vivo. Overall, this study provides a paradigm for developing SAzymes with improved enzymatic activity through local coordination manipulation and high radioresistance over natural enzymes, for example, as sensitizers for cancer therapy.
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