近日，深圳大学医学部生物医学工程学院黄鹏教授（通讯作者）团队在ChemicalSocietyReviews上发表了题为“CatalyticChemistryofGlucoseOxidaseinCancerDiagnosisandTreatment”的综述文章（DOI:10./c7csk），该团队付连花博士和漆超博士是共同第一作者。该综述着重于葡萄糖氧化酶（GOx）基传感器和治疗手段的设计原则，系统介绍了GOx用于癌症诊断和治疗方面的最新研究进展，并讨论了GOx在生物医用领域所面临的挑战和发展机遇。该研究得到中组部青年千人计划项目、国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金项目、深圳市科创委自由探索项目、中国博士后基金和博士后创新人才支持计划等项目的资助。
1.前言
葡萄糖氧化酶（GOx）是一种广泛存在于生物体中的内源性氧化还原酶。由于其良好的生物相容性，以及对β-D-葡萄糖高效专一的催化性能，GOx被广泛应用于生物医学领域。GOx催化葡萄糖生成葡萄糖酸和过氧化氢（H2O2），可用于设计和构建多种生物传感器实现细胞内葡萄糖浓度以及癌细胞生物标志物的检测，此外，基于GOx催化反应可以发展出多种癌症治疗手段（图1）。因此，如何将GOx在生物医用领域的应用潜能最大化，对于获得新的癌症诊断和治疗方法具有重要研究价值。
图1.GOx催化化学在癌症诊断与治疗中的应用
2.GOx催化化学在癌症诊断中的应用
GOx催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和H2O2，同时消耗氧气。一方面，利用该反应并结合氧气和pH传感器可以直接检测癌细胞内葡萄糖浓度的变化，从而检测癌细胞的生长状态；另一方面，利用该催化反应生成的H2O2进行信号放大，同时借助于一些能够特异性识别癌症标志物的配体，可以实现癌细胞生物标记物的精确检测。
2.1基于氧气的生物传感器
GOx催化葡萄糖氧化并消耗氧气，从而引起氧浓度变化，因此通过氧敏感的传感器可以实时监测细胞内葡萄糖浓度的变化。例如Sun等利用一种荧光聚合物-GOx生物交联体实现体内葡萄糖浓度检测。在葡萄糖存在情况下，GOx催化葡萄糖消耗氧气，引起荧光强度变化，利用荧光强度与葡萄糖浓度的线性关系监测生物体内葡萄糖含量的变化（ACSNano,,10,）。
2.2基于pH的生物传感器
GOx催化葡萄糖生成葡萄糖酸，从而导致溶液pH值的降低，因此通过pH敏感的传感器可以实时监测细胞内葡萄糖浓度的变化。例如，GOx功能化的移液管具有高度特异性检测单细胞内葡萄糖的浓度（NanoLett.,,16,）。
2.3基于H2O2的生物传感器
GOx催化葡萄糖生成H2O2。H2O2可以参与多种生物化学反应，从而放大癌症生物标记物的检测信号。例如：（1）H2O2可以引起Ru(bpy)32+电化学荧光的淬灭以及鲁米诺（luminol）电化学荧光的增强，因此将GOx与Ru(bpy)32+或鲁米诺连接到能够特异性识别癌症标志物的配体上，则可以通过GOx催化反应产生的H2O2来改变荧光染料的荧光信号，从而检测癌症生物标记物；（2）H2O2是一种优良的电子供体，可清除空穴并显著放大电化学传感器的光电流，因此可用于设计超敏感的光电化学免疫传感器用于探测癌症生物标记物；（3）GOx催化产生的H2O2能够调节金属（如Au、Ag等）纳米颗粒的成核、生长与聚集状态，从而调节金属纳米颗粒的局部表面等离子体共振信号。利用该信号的变化可以检测细胞内葡萄糖的浓度以及肿瘤生物标记物的含量（Nat.Mater.,,11,）。
2.4基于GOx电化学的生物传感器
GOx催化葡萄糖的氧化可以采用电极替代氧气提供电子。该反应过程产生的电流与葡萄糖浓度成比例，因此，GOx基电化学生物传感器可用于检测癌细胞内的葡萄糖浓度。此外，采用GOx功能化的示踪物标记二级抗体Fc
Ab2，并借助于羧基功能化的多壁碳纳米管平台，可以实现癌胚抗原的高效检测（Biosens.Bioelectron.,,26,）。3.GOx催化化学在癌症治疗中的应用
GOx催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和H2O2。该反应过程同时消耗肿瘤组织的葡萄糖和氧气，从而增强肿瘤微环境的乏氧，因此GOx可以发展出饥饿治疗与乏氧激活治疗；反应生成的葡萄糖酸和H2O2增强了肿瘤微环境的酸度和氧化能力，因而GOx可以发展出pH响应药物递送与氧化治疗（图2）。
图2.GOx催化化学在癌症治疗中的应用
3.1饥饿治疗
肿瘤饥饿治疗作为一种无创治疗技术，可以选择性切断肿瘤区的营养和能量供给，从而有效抑制肿瘤的生长，达到“饿死”肿瘤细胞的目的。葡萄糖是肿瘤细胞生长的重要营养物质，利用GOx催化反应消耗肿瘤区的葡萄糖，可以实现肿瘤的饥饿治疗。然而，由于肿瘤中丰富的毛细血管系统会源源不断的供应营养物质，单纯依靠GOx催化反应很难消除肿瘤。因此，GOx需与其他治疗剂相结合以增强治疗效果。
3.2乏氧激活治疗
实体瘤通常具有乏氧的特性，利用肿瘤组织的乏氧特性，可以激活某些乏氧前药（如AQ4N：Banoxantronedihydrochloride）。AQ4N对正常组织无毒性，而在乏氧的条件下则被还原产生有毒的AQ4从而杀死肿瘤细胞。GOx催化葡萄糖氧化可以有效消耗肿瘤区的氧气，增强肿瘤乏氧，因此GOx催化反应有望应用于激活肿瘤乏氧前药，实现肿瘤高效化疗。
3.3pH响应药物递送
GOx催化葡萄糖反应产生的葡萄糖酸可以有效降低肿瘤组织的酸度，用于实现pH响应的药物释放。例如Wang等发展了一种自降解微针贴片，该微针由透明质酸与具有pH响应特性且同时装载anti-PD1和GOx的右旋糖酐纳米颗粒组成。微针中的GOx将血液中的葡萄糖转化成葡萄糖酸，使体系酸度增强，从而促进纳米颗粒降解并释放出anti-PD1（NanoLett.,,16,）
3.4氧化治疗
GOx催化产生的H2O2可以增强肿瘤的氧化应激，并且通过光照或芬顿反应可以将H2O2转化为有毒的羟基自由基，从而杀死癌细胞。例如Wu等将GOx与小分子聚合物点（Pdot）共价结合获得Pdot-GOx纳米颗粒。该纳米颗粒进入肿瘤组织后，在光照条件下，GOx催化产生的H2O2被光解产生大量羟基自由基，可以有效杀死癌细胞从而抑制肿瘤生长（NanoLett.,,17,）。
光照分解肿瘤区H2O2受限于光的组织穿透深度，为此，Shi等将GOx催化反应与芬顿反应相结合，设计了一种连续催化纳米药物GOx-Fe3O4
DMSNs用于肿瘤治疗。该纳米药物进入肿瘤组织后，GOx催化葡萄糖氧化产生大量H2O2，与此同时，Fe3O4催化H2O2分解产生大量有毒的羟基自由基，最终导致肿瘤细胞凋亡（Nat.Commun.,,8,）。3.5多模式协同治疗
肿瘤的复杂性、多样性以及非均相性，使得单模式治疗方式很难达到理想的治疗效果。多模式协同治疗将多种治疗模式进行联合使用，不仅可以有效克服每种单一治疗模式的弊端，还可以充分发挥每种治疗模式之间的相互增强作用，达到“1+12”的协同治疗效果（Chem.Rev.,,,）。通过将GOx与其他酶、乏氧激活前药、光敏剂或芬顿试剂相结合，可以将肿瘤饥饿治疗、乏氧激活治疗、氧化治疗、光动力治疗、光热治疗、气体治疗及化疗等整合到同一个纳米平台（图3），有望实现更为有效的癌症多模式协同治疗。
图3.肿瘤饥饿治疗与气体治疗协同治疗（Angew.Chem.Int.Ed.,,56,.）
4.结论与展望
根据GOx特异性高效催化葡萄糖并生成葡萄糖酸和H2O2，可以发展出多种基于GOx催化化学的生物传感器用于细胞内葡萄糖浓度以及癌细胞生物标志物的检测，并发展出多种基于GOx催化化学的治疗手段用于癌症的高效治疗。在未来的发展中，GOx基生物传感器需要以高灵敏度、高精度和高效率为目标，开发出更多高效便捷的生物传感器用于癌症诊断。在癌症治疗方面，需要在保证GOx基治疗剂的生物安全性基础上，努力提高癌症的治疗效果。因此，对于每一种基于GOx催化化学的治疗策略，不仅要客观评价该策略对肿瘤的治疗效果，而且还要全面系统评价该策略的生物安全性。总之，GOx催化化学对癌症的诊断和治疗提供了一种新的策略，如何将这种策略的应用潜能最大化还需要我们不断努力。
作者简介：
黄鹏，深圳大学特聘教授，博士生导师，分子影像系主任，国家“千人计划”青年专家。年获第二届“中国肿瘤青年科学家奖”。主要从事分子影像学和纳米医学方面的研究，迄今发表SCI论文余篇，回国后以通讯作者发表SCI论文41篇（其中IF10的20篇，IF7-10的12篇），包括1篇ChemicalReviews，5篇ChemicalSocietyReviews（3篇为封面），1篇AccountsofChemicalResearch，6篇AdvancedMaterials（3篇为封面），1篇AngewandteChemieInternationalEdition（封面），1篇NanoLetters，1篇AdvancedDrugDeliveryReviews和5篇ACSNano，其中11篇封面文章，多篇被NaturePhotonics等选为研究亮点。论文总引用超过次，13篇入选1%ESI高被引论文，H因子48。
鸟语虫声总是传心之诀，花英草色无非见道之文！
黄鹏教授团队赞赏
