酶封装 MOF@MOF 纳米复合物：开启线粒体H2O2检测新视界

在细胞中，线粒体作为能量代谢的中心，其电子传递链在产生 ATP 的同时，也会不可避免地产生超氧阴离子和过氧化氢等活性氧物种。这些活性氧物种在细胞信号传导和氧化应激疾病中扮演着重要角色。然而，由于超氧阴离子的半衰期极短，且容易被歧化为过氧化氢，直接检测其浓度一直是一个难题。近期，一项发表在《Small Methods》上的研究，开发了一种新型的酶封装金属 - 有机框架（MOF）@MOF 纳米复合物，为检测由 HeLa 细胞线粒体释放的超氧阴离子转化而来的过氧化氢提供了新方法。

一、研究背景

线粒体是细胞内主要的能量工厂，参与多种生理活动。在氧化磷酸化过程中，部分电子可能从电子传递链中泄漏，与氧气反应生成超氧阴离子和过氧化氢。这些活性氧物种在调节细胞氧化还原势和传递氧化还原信号中起着关键作用。然而，过量的活性氧物种会导致蛋白质的非特异性氧化，引发氧化应激疾病，如阿尔茨海默病和癌症。因此，准确检测线粒体产生的过氧化氢对于理解线粒体功能和相关疾病具有重要意义。

二、创新检测平台

研究团队开发了一种将辣根过氧化物酶（HRP）封装在 MOF@MOF 纳米复合物中的检测平台。该平台通过将 HRP 与 Cu/Co-1,4-苯二甲酸（BDC）MOF 结合，形成 Cu/Co-BDC(HRP)@1,3,5-苯三甲酸（BTC）|超薄多孔碳壳（UPCS）结构。这种结构不仅保护了 HRP 的活性，还提高了其稳定性。

1. 纳米复合物的制备

首先，通过 EDC/NHS 偶联，将聚丙烯酸（PAA）与 HRP 结合，形成 PAA-HRP。然后，将 PAA-HRP 负载到 Cu/Co-BDC 上，形成 Cu/Co-BDC(HRP)。接着，通过层层包裹，形成 Cu/Co-BDC(HRP)@BTC 结构。最后，通过超薄多孔碳壳（UPCS）的包裹，形成最终的 Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS 纳米复合物。

2. 纳米复合物的表征

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对纳米复合物的形貌进行了表征。结果显示，Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS 具有规则的多面体形貌，且 UPCS 成功包覆在 Cu/Co-BDC(HRP)@BTC 表面。能量色散光谱（EDS）和 X 射线光电子能谱（XPS）进一步确认了元素的均匀分布和价态。

三、电化学性能

1. 循环伏安法

通过循环伏安法对不同电极材料在 0.1 M 磷酸盐缓冲液（PBS）中的电化学性能进行了测试。结果显示，Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS 在添加 2 mM H₂O₂后，还原峰电流显著增加，表明其对H₂O₂具有良好的催化还原性能。

2. 电化学阻抗谱

电化学阻抗谱（EIS）结果显示，Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS 的电子转移电阻（Ret）显著低于其他电极材料，表明 UPCS 的加入提高了电极的导电性。

3. 氨培法

采用氨培法对 Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS 的分析性能进行了评估。结果显示，该传感器在 0.05 μM 至 1 μM 和 1 μM 至 1000 μM 的H₂O₂浓度范围内具有两个线性响应区域，灵敏度分别为172 mA mM⁻¹cm⁻²和1.63 mA mM⁻¹ cm⁻²，检测限为 0.057 μM。

四、实际应用

1. 线粒体的提取与处理

从活的 HeLa 细胞中提取线粒体，并用特异性抑制剂处理，以研究电子传递链中不同复合物的电子泄漏情况。通过共聚焦显微镜观察，确认了线粒体的活性和完整性。

2. H₂O₂的检测

利用Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS传感器对处理后的线粒体释放的H₂O₂进行了检测。结果显示，经抑制剂处理后的线粒体释放的H₂O₂明显增加，表明复合物I和复合物III是电子传递链中活性氧物种的主要产生位点。

五、结论与展望

本研究开发的 Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS 纳米复合物检测平台，不仅提高了HRP的稳定性和活性，还实现了对线粒体释放的H₂O₂的高灵敏度检测。这一平台为研究线粒体功能和相关疾病提供了新的工具，也为开发新型电化学传感器提供了新的思路。未来，研究团队将进一步探索该平台在其他生物标志物检测中的应用潜力。

参考文献：DOI: 10.1002/smtd.202401070

图1. 制备Cu/Co-BDC(HRP)@BTC|UPCS传感平台，用于检测用各种抑制剂处理后从线粒体释放的H₂O₂。

图2. 电化学性能评价

图3. 实际应用