MnO2納米片在生物傳感和生物醫學中的應用研究進展

盧玉君, 田雪瑩, 何賢會，楊 敏*，彭黔榮

(1. 貴州大學 藥學院，貴州 貴陽550025; 2. 貴州中煙工業有限責任公司技術中心，貴州 貴陽 550009)

隨著納米材料在生物醫學領域的應用越來越廣泛，越來越多的研究者們開始探尋性能優越的生物納米材料。二維(2D)過渡金屬氧化物納米片如二氧化錳(MnO2)、二硫化鉬(MoS2)等納米片作為一類新興的納米材料，具有平面形貌特征，比表面積(SSA)較高，物理化學性質優越，可降解且易于修飾，可作為生物醫學應用納米平臺[1-4]。

MnO2納米片是具有氧化還原活性的二維納米材料，其厚度及橫向尺寸都較小[5-6]。MnO2納米片具有三個原子層，兩個O層夾有一個Mn層，Mn原子占據八面體的中心且與6個最近的O原子配位，而每個O原子又和3個最近的Mn原子配位，由此形成共享邊緣的[MnO6]八面體。MnO2納米片因為Mn空位的存在而帶負電荷[7]。 MnO2納米片由于Mn離子的d-d躍遷而具有寬吸收光譜(200～600 nm)，在380 nm處具有較大的摩爾消光系數(εmax= 9.6×103L·mol-1·cm-1)。MnO2納米片因其結構獨特而表現出出色的性質：1)層狀MnO2的比表面積較大，因此可作為一種環保材料來吸附并降解不同種類的重金屬離子、有機污染物和有機染料[8-10]；2)MnO2納米片吸收光譜較寬，可以猝滅大多數熒光物質的熒光[11-14]；3)MnO2納米片因為+4價Mn的存在而表現出很強的氧化還原能力，因此可被用于檢測生物樣品中的還原性物質[15-16]；4)MnO2納米片比表面積大，載藥量高，并且能夠與腫瘤微環境中過表達的谷胱甘肽(GSH)和過氧化氫(H2O2)發生反應而降解為Mn2+(如式1、式2所示)，且反應所得的O2可以改善腫瘤缺氧的缺陷，因此MnO2納米片可以作為構建抗癌藥物遞送系統(Drug Delivery System, DDS)的納米載體材料，降解所得的Mn2+可作為T1加權的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)對比增強試劑。MnO2納米材料本身具有優異的光熱轉換性質，因此也可用于腫瘤的光熱治療。通過用MnO2納米片負載不同類型的抗癌藥物(光敏劑、化療藥物等)，并復合其他抗癌性能好的材料，可以構建不同的抗癌協同診療納米體系，對癌癥的治療有很高的指導意義。

MnO2+ H2O2+ H+→ Mn2++ H2O + 1/2O2

(1)

MnO2+ 2GSH + 2H+→ Mn2++ GSSH + 2H2O

(2)

1 基于MnO2納米片的生物傳感

基于MnO2的強大氧化能力和催化活性，MnO2納米片已被廣泛用于構建生物傳感器。目前MnO2納米片在生物傳感器中的應用主要可分為三類：熒光生物傳感器、電化學生物傳感器和比色生物傳感器。

1.1 基于MnO2納米片的熒光生物傳感

MnO2納米片由于其強大的光學吸收和快速的電子轉移性質，通常用作熒光測定中的熒光猝滅劑。當存在還原性目標物質時，MnO2納米片與目標物質發生氧化還原反應，被還原為Mn2+離子，隨之熒光標記被釋放，熒光恢復，其強度與目標物的濃度直接相關。通過與不同種類的熒光納米材料偶聯，基于這一原理可以檢測出許多還原物質。

Qu等[17]基于MnO2納米片，開發了一種通過調節硫胺素(TH)的光致發光測定丁酰膽堿酯酶(BChE)活性的新策略(如圖1a)。MnO2納米片的類氧化酶活性使它們能夠催化非熒光底物TH的氧化，從而產生強熒光硫色素(TC)。當在S-丁酰硫代碘化物(BTCh)存在下引入靶BChE形成硫代膽堿時，MnO2納米片被硫膽堿還原為Mn2+，導致其類氧化酶活性的喪失于是TC熒光的降低?；诖?，利用TH的發光行為變化和MnO2納米片的類氧化酶活性，構建了BChE活性熒光生物傳感器。熒光生物傳感器對BChE表現出靈敏的反應，檢測限達到0.036 U·L-1。

1.2 基于MnO2納米片的比色生物傳感

比色生物傳感器具有獨立可視讀數，近年來也引起很多研究者的關注。它具有許多優點，例如操作簡單、成本低和不需要任何復雜的儀器，因此對于實時現場檢測特別有意義[18]。在各種比色系統中，由于其無標記性質和快速響應，現在應用于比色生物傳感中最典型的顯色反應是酶催化氧化成色底物如3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)。近年來，人工酶具有酶樣反應和底物特異性，與天然酶相比，它們更穩定可調。MnO2納米材料由于存在晶格氧缺陷而具有較高的過氧化物酶、氧化酶和過氧化氫酶樣活性，因此能夠在沒有H2O2的情況下催化有機底物[TMB、鄰苯二胺(OPD)和重氮氨基苯(DAB)]的反應以產生不同顏色[19]?；谶@種氧化酶樣催化性質，研究者們報道了利用MnO2納米材料類氧化酶活性，通過比色法檢測各種分析物，包括離子、小分子等。

Liu等[20]報道，MnO2納米片具有類氧化酶活性，可以催化TMB的氧化。同時，GSH的存在會導致氧化TMB的減少，從而產生顏色變化。因此，作者開發了一種用于檢測人血清中的GSH的新型比色方法，檢測限為300 nmol·L-1(如圖1b)。它的便利性和可見性在生物醫學領域中的應用非常重要。除此之外，MnO2納米片-TMB反應系統被開發為尿酸[21]、抗壞血酸[22]、半胱氨酸等其他抗氧化劑的便攜檢測平臺。然而，這些傳感器只能確定一種抗氧化劑，由于目標物質化學性質相似，因此無法進行高通量檢測。Gan等[23]基于3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺-二氧化錳(TMB-MnO2)納米片，開發了一種快速靈敏的草酸鹽檢測方法。淺黃色TMB可被 MnO2納米片催化氧化成藍色氧化物TMB，草酸鹽通過消耗MnO2納米片，選擇性地抑制該反應，從而實現草酸鹽的定量檢測。此外，還開發了一種自制的仿生電子眼(E-eye)系統，作為便攜式原位檢測平臺，可以直接拍攝在10 s內有效地測得的草酸鹽濃度。該方法顯示出草酸鹽檢測的寬線性范圍(7.8至250 μmol·L-1)和低檢測限(0.91 μmol·L-1)。此外，即使存在80倍的干擾化學物質，該方法也表現出高選擇性。通過測試人工尿液樣本驗證了該方法的性能，表明其在臨床應用中監測和診斷尿石癥具有巨大潛力。

1.3 基于MnO2納米片的電化學生物傳感

MnO2納米片因其具有高催化活性、高化學穩定性、低成本等優點，而被用作電化學傳感器。然而，因為MnO2的固有電導率(10-5～10-6S·cm-1)低，研究人員將MnO2與氧化石墨烯[24]、碳納米管(CNTs)[25]、碳泡沫[26]、金屬納米顆?；蚪饘傺趸锏认嘟Y合。因此，通過將石墨烯顯著的導電性和優異的生物相容性等優點與MnO2的高電催化活性相結合，可以制備出在離子、小分子、免疫分析等各種分析物檢測的傳感器。

Lyu等[27]設計了一種光電化學(PEC)免疫測定法，基于H2O2對氧/磷共摻雜石墨C3N4/AgBr/MnO2納米片(OP-g-C3N4/AgBr/MnO2)的蝕刻反應，用于前列腺特異性抗原(PSA)的靈敏監測(如圖1c)。最初，在PSA存在下，將葡萄糖氧化酶(GOX)標記的檢測抗體引入具有三明治型免疫反應的捕獲抗體包被的微孔板中，于是GOX分解葡萄糖產生的H2O2將MnO2納米片蝕刻成錳離子(Mn2+)，從而導致底層OP-g-C3N4/AgBr的暴露，同時H2O2還可以用作電子清除劑，抑制OP-g-C3N4/AgBr的電子-空穴對的重組。H2O2的這兩個特性協同增強了光電流。在最佳條件下，PEC免疫測定在0.05～50 μg·L-1的動態工作范圍內對靶標PSA表現出高靈敏度，檢測限為17 ng·L-1。該系統具有高特異性，良好的選擇性和良好的穩定性，并且相對于商業化的PSA ELISA試劑盒，該方法具有可靠的準確性。更重要的是，該系統可以擴展到通過控制相應的抗體來篩選其他生物標志物。

圖1 (a) MnO2納米片對BChE的熒光生物傳感[17]；(b) MnO2納米片對GSH的比色傳感檢測[20]；(c) OP-g-C3N4/AgBr/MnO2納米片對PSA的光電化學生物傳感[27]

2 基于MnO2納米片的生物成像

與其他成像方式相比，磁共振成像(MRI)的空間分辨率高，但靈敏度有限。自20世紀80年代末以來，釓(Gd3+)[28]和錳(Mn2+)[29]作為順磁性配合物，可以減少縱向弛豫時間T1，從而成功應用于MRI。錳基氧化物因其生物相容性較好且細胞毒性低，已取代臨床上廣泛使用的釓基對比成像試劑。雖然MnO2納米片并不具備MRI性質，但經分解成為Mn2+后，展現出了優越的T1-MRI性能。MnO2納米片腫瘤微環境中分解的Mn2+可用于腫瘤細胞MRI。

Yu等[30]構建了智能TME/NIR響應和O2自補充錳基雜化納米平臺(MnO2/Ce6@UPOMs)。MnO2納米片在TME刺激下產生O2以緩解腫瘤缺氧并恢復PDT的猝滅上轉換熒光(UCL)。MnO2納米片發生降解產生的Mn2+可用于T1加權MRI。Mn2+具有優異的芬頓樣活性，使其能夠同時將內源性H2O2轉化為劇毒·OH，促進癌細胞殺傷作用。因此，該納米系統在實現CDT/PDT聯合癌癥治療的同時，能夠進行實時MRI監測。Zhang等[31]制備了一種納米顆粒，由MnO2納米片包覆的金納米棒(GNRs)核心(裝載化療藥物阿霉素(DOX))和癌細胞膜殼組成(CM-DOX-GMNP)(如圖2)。細胞膜的修飾賦予納米顆粒極高的膠體穩定性和癌細胞靶向能力。一旦納米顆粒進入腫瘤細胞，MnO2納米片可以通過與腫瘤微環境中的GSH和H2O2反應生成Mn2+，從而釋放DOX。同時，Mn2+可以作為腫瘤診斷的MRI造影劑。當用近紅外光(NIR)照射時，GNRs的光熱轉換效應可用于癌癥的協同治療。

圖2 CM-DOX-GMNP納米粒子在腫瘤診療中的應用示意圖[31]

3 基于MnO2納米片的癌癥治療

MnO2納米片具有一系列優異的性質，使其可以作為構建抗癌藥物遞送系統的納米材料：1)MnO2納米片比表面積大，對抗癌藥物的裝載效果好；2)MnO2納米片的細胞毒性較低，其降解所得的Mn2+可以經由肝腎代謝和排泄，且Mn是人體微量元素之一，所以生物相容性良好；3)MnO2可以和腫瘤微環境中的特征性物質(GSH、H2O2等)發生反應后降解，隨之藥物釋放，可以達到藥物靶釋和控釋的目的，從而降低藥物體系對非腫瘤組織的毒副作用；4)MnO2納米片與H2O2反應后產生的O2有利于改善腫瘤缺氧，從而增強O2依賴的光動力治療療效，同時其引發的類芬頓可以用于癌癥的化學動力學治療；5)MnO2降解后所得的Mn2+可以用作MRI的對比增強試劑，有助于實現腫瘤的診斷。

現在許多研究通過MnO2納米片負載不同類型的抗癌藥物或復合不同的納米材料，構建多種治療方式協同作用并以MRI診斷為指導的多功能納米藥物診療體系。以下綜述了MnO2納米片在腫瘤光動力治療、化學動力學治療、光熱治療以及化療中的應用。

3.1 基于MnO2納米片的癌癥光動力治療

光動力治療(Photodynamic therapy, PDT)是指在O2存在的條件下，光激發光敏劑產生活性態氧(Reactive oxygen spieces, ROS)致使腫瘤細胞發生細胞凋亡或壞死而產生殺傷力的一種癌癥治療方法。與傳統療法相比，PDT因其系統毒性低和選擇性高而成為近年來抗腫瘤治療的研究熱點[32-33]。

Zeng等[34]制備了具有廣泛NIR吸收和pH依賴降解性的超薄MnO2納米片。用聚乙二醇環精氨酸-甘氨酸天冬氨酸三肽(PEG-cRGD)修飾后，將MnO2納米片作為光熱劑和納米載體封裝二氫卟吩e6(Ce6)用于癌癥靶向光熱治療(PTT)和PDT(如圖3)。正如預期的那樣，MnO2-PEG-cRGD納米片表現出高的Ce6負載能力(351 mg·g-1)、較高的光熱轉化性能(37.2%)和優異的穩定性。這些納米片還表現出pH和NIR誘導的Ce6釋放。此外，MnO2納米片可以通過與酸性微環境中的H2O2反應而降解，從而能夠原位升高氧濃度，逆轉腫瘤缺氧。由于這些良好的性質和cRGD介導的腫瘤靶向能力，制備的MnO2-PEG-cRGD/Ce6納米復合材料可以被α-vβ-3(αvβ3)整合素過度表達的前列腺癌PC3細胞有效攝取，并在660 nm NIR激光下獲得良好的治療效果，這也通過體外研究得到了驗證。

圖3 MnO2-PEG-cRGD納米片在腫瘤診療中的應用[34]

3.2 基于MnO2納米片的癌癥化學動力學治療

化學動力學療法 (Chemodynamic therapy, CDT) 是一種新興的抗癌手段，通過過氧化物酶樣催化、金屬催化或過渡金屬基芬頓反應，增強細胞內ROS。過渡金屬(Fe、Cu 和 Mn)衍生物通過與腫瘤微環境中的H2O2、GSH發生芬頓反應產生毒性羥基自由基 (·OH)對腫瘤細胞產生殺傷力[35]。與PDT相比，CDT無需光照和O2的存在，有利于深層缺氧腫瘤的治療。

Wang等[36]開發了一種核殼等離子體納米材料(Au@MnO2-DNA)，該材料由AuNP核心和MnO2納米片外殼組成，外層裝飾有熒光團修飾的DNA?；诘入x子體納米顆粒獨特的光學性質和殼體MnO2的氧化性，散射信號和熒光(FL)信號的變化與GSH的表達水平有關，在光學顯微鏡設備上成功實現了一鍵切換的雙模成像分析。同時，MnO2與GSH反應產生的Mn2+產物不僅作為智能化學動力學藥物，引發芬頓樣反應，實現癌細胞的CDT，而且緩解了細胞內GSH在癌癥治療中的副作用。

3.3 基于MnO2納米片的癌癥光熱治療

光熱治療(Photothermal therapy, PTT)是指用NIR照射具有光熱轉換性質的材料，通過熱消融殺死腫瘤細胞的一種治療方法。PTT作為一種非侵入性的癌癥治療方法近年來被廣泛用于腫瘤治療中。

Li等[37]利用MnO2納米片和葡萄糖氧化酶(GOX)的協同作用和高反應性的優點，構建了多功能MPDA@MnO2-MB-GOX納米放大器，用于增強PTT，PDT和饑餓治療。在腫瘤微環境(TME)中，介孔聚多巴胺(MPDA)表面的MnO2納米片可與內源性H2O2反應生成O2以緩解腫瘤缺氧，從而提高PDT和GOX催化的功效。在GOX催化下葡萄糖的消耗將增強TME的酸度，增加細胞內H2O2濃度，從而促進MnO2納米片產生O2，形成有效的級聯反應，最大限度地提高功能劑的功效。此外，MPDA在808 nm激光照射下產生的熱量可以加速化學反應，從而進一步提高協同治療效果。體外/體內結果強調，通過用功能納米系統調節不利的TME可以促進癌細胞的死亡并抑制腫瘤，這突出了制得的MPDA@MnO2-MB-GOX納米材料克服光療局限性的前景。

3.4 基于MnO2納米片的癌癥化學治療

化療是癌癥治療最主要的手段。然而高細胞毒性的化療藥物通過非選擇性誘導細胞凋亡或壞死對正常組織會產生明顯的副作用，這是當前化療的主要障礙之一[38]?，F在對化療的研究主要是為了增強其選擇性，降低機體耐藥性。

Zhao等[39]制造了基于DNA適配子和MnO2納米片的GSH和腺苷-5′-三磷酸(ATP)雙敏感納米平臺，可用于抗腫瘤藥物控釋和MRI。利用DNA可調性，將AS1411適配體結合核素(一種在腫瘤相關內皮細胞上特異性表達的蛋白質)與ATP適配體及其cDNA一起加載抗癌藥物DOX。在MnO2納米片和AS1411適配子的幫助下，形成的DNA-DOX復合物被遞送到腫瘤區域。然后，在ATP適配體和GSH的協同作用下，實現了腫瘤細胞中藥物的按需釋放。研究發現，如果沒有MnO2納米片的結構被GSH破壞，即使在ATP存在下，DOX也幾乎無法釋放。同樣，如果沒有ATP，即使有GSH作用，DOX也無法釋放。進一步將Mn2+的MRI能力和化學治療相結合，實現了抑制腫瘤生長和成像的改善效果。

4 總結和展望

綜述了MnO2納米片在生物傳感和生物醫學中的應用研究進展，介紹了MnO2納米片在生物傳感、生物成像和癌癥治療方面的應用。雖然近年來對MnO2納米片的研究越來越廣泛，但與GO等二維納米材料相比，其在生物醫學領域的應用研究仍處于起步階段。此外，盡管MnO2的毒性較低，但其藥物代謝動力學機制、細胞攝取機制和長期毒性等生物相容性相關的研究仍然不夠完善。今后對于MnO2納米片的研究，除了探尋其對于生物有機體達到更高治療效果的措施之外，還應關注MnO2納米材料的生物毒性和生物代謝降解途徑，以確保用藥安全。