顶刊动态 | AM/JACS/Nano Lett.等生物材料前沿最新科研成果精选【第21期】

1、Adv. Mater. 钆杂化等离子体金纳米复合物在多模式成像治疗中增强肿瘤内部药物渗透

图1 钆杂化等离子体金纳米复合物多模式成像治疗示意图

刺激响应的纳米药物结合外部刺激如光、超声波、磁场可以进行有效的肿瘤靶向性运载。理想的诊疗一体化平台应该既能优化治疗效果，也能可靠地评估肿瘤的特性。随着单模式成像技术提供的诊断信息不足，多模式成像技术引起了广泛地关注。

国家纳米科学中心纳米生物效应与安全性重点实验室的赵宇亮研究员（通讯作者）等人通过层层组装制备钆杂化等离子体金纳米复合物Au@SiO2(Gd)@Dox@HA，集成了温度控制、体内追踪、药物负载和肿瘤靶向性多种功能，并可以同时实现五种成像分析技术。这种纳米复合物的设计可以成功地克服生理和病理的壁垒，增强药物和成像剂在肿瘤内的积累和渗透，实现高灵敏成像从而提高癌症的治疗效果。

文献链接：Gd-Hybridized Plasmonic Au-Nanocomposites Enhanced Tumor-Interior Drug Permeability in Multimodal Imaging-Guided Therapy (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603114)

2、Angew. Chem. Int. Ed. 用小分子荧光探针识别单个细胞器中的化学过程

图2 小分子荧光探针示意图

大量的化学/生物反应发生在细胞器内部，因此很难研究其中的亚细胞基质。现有的高效液相层析(HPLC)、质谱分析和放射性标记等获取细胞化学信息的技术，耗时且不适用于活体的原位检测。小分子荧光探针不仅能进行细胞水平成像，还可实现亚细胞成像，已在生物化学、临床诊断和药物输送等领域得到广泛应用。

最近，湖南大学的蒋健晖教授（通讯作者）、袁林副教授（通讯作者）和新加坡国立大学的Young-Tae Chang教授（通讯作者）等人总结了现有的单个细胞器中靶向化学/生物学反应的各种荧光探针。这些探针可靶向线粒体、细胞消化系统、细胞膜、细胞核以及内质网和高尔基体。细胞器靶向的荧光探针(OTAFPs)组成的探针/感应系统只对目标细胞器中荧光发射/转移波长的变化产生相应变化，具有高度选择性。OTAFPs的设计基于细胞器各自的结构和功能，可对特定的细胞器和分析物快速响应，可用于监控各种生物分子。

文献链接：Discerning the Chemistry in Individual Organelles with Small-Molecule Fluorescent Probes（Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI: 10.1002/anie.201510721）

3、Adv. Mater. 基于氧鎓结构的近红外/双光子荧光比率探针可对体内过氧化氢成像

图3 对H2O2进行近红外和双光子成像的比例荧光探针的设计策略

过氧化氢（H2O2）作为活性氧的一种，在众多生理病理活动中有着重要作用。荧光成像以其高灵敏度、高选择性和实时监测的性能得到广泛关注。然而目前大多数H2O2荧光探针选择性差，难以区分一氧化氮等活性氧；并且这类探针通常采用单光子模式，相较于双光子荧光具有较差的组织穿透性，因此急需设计一种新型H2O2荧光比率探针，同时对H2O2进行近红外和双光子体内成像。

最近，济南大学的林伟英（通讯作者）等设计了一种结合近红外和双光子成像为一体的荧光探针，可对体内H2O2进行检测，其结构如图1所示。该化合物所含的氧鎓结构可对H2O2特异性识别，且通过化学反应释放双光子染料，具有很好的特异性和灵敏度。体内外实验都证明该荧光探针可作为良好的近红外/双光子成像一体探针。

文献链接：Simultaneous Near-Infrared and Two-Photon In Vivo Imaging of H2O2 Using a Ratiometric Fluorescent Probe based on the Unique Oxidative Rearrangement of Oxonium (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.20162939)

4、ACS Nano 碳点修饰的氮化碳纳米颗粒通过水分裂增强光动力治疗对抗缺氧的肿瘤传递

图4 PCCN(多功能纳米复合材料)的结构示意图

光动力治疗(PDT)利用O2产生细胞毒性活性氧簇(ROS)，常被用于癌症的治疗中。但PDT过程高度依赖于氧含量，而肿瘤环境中pO2 ≤2.5 mmHg，这限制了PDT的治疗效率。

最近，武汉大学的张先正教授（通讯作者）等人制备了基于氮化碳的多功能纳米复合材料(PCCN)，用于光驱动水分裂。利用红光可激发生物体内的水分裂过程的特性，将碳点掺杂到C3N4，用来增强红光区域的吸收能力。再将一个含原卟啉光敏剂、聚乙二醇段和靶向精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸模体的聚合物引入C3N4纳米颗粒。肿瘤细胞存活实验表明，PCCN完全改变了缺氧引起的PDT阻力，抑制了氧含量为1%时癌细胞的增长。在恶性肿瘤组织中，使用630nm射线照射，PCCN可高效产生O2，增强细胞内活性氧的产生，克服肿瘤缺氧并提高PDT的治疗效率。这是一个高效内源性产生O2的方法，水分离材料的使用提高了肿瘤内的氧含量并最终改变缺氧引发的PDT阻力和肿瘤转移能力，显现出临床治疗的应用潜力。

文献链接：Carbon-Dot-Decorated Carbon Nitride Nanoparticles for Enhanced Photodynamic Therapy against Hypoxic Tumor via Water Splitting（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b04156）

5、JACS 基于荧光共振能量转移的线粒体特异性荧光探针用于Cy3和Cy5两种对子的比率检测和内源性过氧亚硝基的成像

图5 PNCy3Cy5 的结构及其检测机制示意图

过氧亚硝基(OONO−)的细胞毒性在信号传导和抗菌活动方面起重要作用。但过量的OONO−会损伤线粒体及重要的细胞组分，急需找到有效检测OONO−的方法。

最近，华东理工大学的钱旭红教授（通讯作者）等人利用微调OONO−引起的Cy3 和Cy5差别反应性，设计了一个基于荧光共振能量转移的小分子探针(PNCy3Cy5)。线粒体是主要产生内源性OONO−的部位。PNCy3Cy5能自由渗透进细胞膜并准确定位线粒体中产生的OONO−，可用于细胞成像。OONO−的存在，使荧光强度在560nm处增加、660nm处减小，发射率在(F560/F660)处显示出高达324倍的动态增长，检测极限可以达到0.65nM，表现出高检测灵敏度和一定产量的荧光信号。PNCy3Cy5可用于半定量测定活细胞中的OONO−、阐明OONO−病理生理学并诊断与OONO−相关的疾病，是研究过氧亚硝基生物学的有效分子工具。

文献链接：FRET-Based Mito-Specific Fluorescent Probe for Ratiometric Detection and Imaging of Endogenous Peroxynitrite: Dyad of Cy3 and Cy5（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b06398）

6、JACS 内质网局域化的Ir（Ⅲ）复合物作为光动力治疗剂

图6 Ir（Ⅲ）复合物的作用机理

活性氧簇（ROS，如单线态氧、超氧自由基）被认为可以通过使蛋白质变性来杀死细胞，但是光动力疗法（PDT）的详细机制还不是很清楚，而且也没有对PDT过程直接干预的报导。

最近韩国蔚山国家科学技术研究所的Mi Hee Lim（通讯作者）、Hyun-Woo Rhee（通讯作者）、Tae-Hyuk Kwon（通讯作者）等人设计了几种Ir（Ⅲ）复合物来产生ROS以及研究ROS对蛋白质的改性，Ir（Ⅲ）在低浓度和低辐射强度时也可以有效产生ROS，甚至可以发生双光子激活。他们还表征了由ROS导致的两种类型的蛋白质改性（蛋白质氧化和光激交联），这种改性主要发生在内质网和线粒体中，通过蛋白质改性可以有效杀死癌细胞。

文献链接：Endoplasmic Reticulum-Localized Iridium(III) Complexes as Efficient Photodynamic Therapy Agents via Protein Modifications（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b05302）

7、Angew. Chem. Int. Ed. 通过药物引发制备的均一聚合物紫杉醇前药

图7 (A)PTX前药聚合物合成及PTX前药聚合物制备示意图；(B)PTX前药聚合物合成路径

紫杉醇（PTX）是一种最具潜力并广泛应用的抗肿瘤药物，然而其溶解性差极大限制了其临床应用。通过化学修饰连接PTX可以降低药物突释，降低药物系统毒性，延长药物体循环，通过EPR效应将药物蓄积在肿瘤部位。基于此，目前大多数研究都通过聚合物后修饰的方法将PTX连接在聚合物上，然而该方法通常受到空间位阻等影响，导致修饰率低、纯化难度高等问题。

最近，比利时根特大学Bruno G. De Geest（通讯作者）等设计了一种药物引发的均一药物聚合物。如图1所示，PTX修饰链转移剂，通过RAFT反应可以高效合成均一的药物聚合物，PTX和聚合物链分别作为疏水片段和亲水片段，制备粒径为27.9±0.8 nm均一纳米粒，体外显示出良好的抗肿瘤效果。

文献链接：Well-Defined Polymer-Paclitaxel Prodrugs by a Grafting-from-Drug Approach (Angew. Chem. Int. Ed.，2016，DOI: 10.1021/anie.201605892)

8、Nano Lett. 电激发nanoruler来进行生物分子检测

图8 nanoruler的性能表征

电浆基传感器是优秀的检测小分子的传感器，电浆nanoruler是其中的一种，它主要依靠被检测分子改变纳米电浆颗粒之间的距离（纳米颗粒之间的杂化）来进行检测。这种杂化也可以发生在纳米颗粒与金属薄膜之间，但是需要特殊的激发构造，因而很难小型化。

最近德国莱布尼茨光子技术研究所的 Ondrej Stranik（通讯作者）等人用金属-电介质-半导体薄膜代替金属膜来制成nanoruler，这种nanoruler可以通过电流来产生表面等离子，不需要任何光源就能实现对分子的检测。这种新的检测方法有望使电浆传感器小型化和集成化。

文献链接：Electrically Excited Plasmonic Nanoruler for Biomolecule Detection（Nano Lett.，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02414）

9、Adv. Mater. 程序化运载CpG和抗PD1抗体进行炎症触发的免疫治疗

图9 在炎症状态下通过DNA纳米茧运载CpG和抗PD1的示意图

手术通常是治疗实体肿瘤最有效的治疗方法，但是很多患者在手术后会出现复发的情况，导致癌症病人发病率和死亡率的升高。越来越多的证据表明手术期创伤引起的炎症对肿瘤的复发、浸润、转移构成了很大的危险，而癌症免疫疗法可以成功地用来防止癌症复发。如何在提高疗效的同时最大程度地降低副作用是癌症免疫治疗的中心主题。

美国北卡大学教堂山分校和北卡州立大学联合生物医学工程系顾臻（通讯作者）等人开发了一种基于CpG DNA滚坏扩增组装的DNA纳米茧进行免疫疗法试剂的传递系统，在老鼠原发性肿瘤切除之后注入负载免疫治疗试剂的DNA纳米茧，可以在肿瘤切口处的炎症引发下进行可控的释放。以DNA纳米茧作为载体，具有很强的生物相容性，同时可以进行可控地释放，大大降低免疫治疗试剂在体内的风险剂量，有助于改善抗癌免疫反应，达到提高治疗效果的同时最大程度地降低副作用。

文献链接：Inflammation-Triggered Cancer Immunotherapy by Programmed Delivery of CpG and Anti-PD1 Antibody (Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201506312)

10、Adv. Mater. 声表面波可对嵌在水凝胶纤维中的细胞实现空间控制

图10 使用预定细胞模式创建嵌入式细胞纤维的实验装置示意图

早期的组织工程学关注于发展刺激细胞增长的材料，依赖于细胞自组装建立功能组织，忽略了对所接种细胞的组织化研究。声表面波(SAWs)是一种可用于操纵单个细胞或集群细胞排布的方法。

最近，美国宾夕法尼亚大学的Tony Jun Huang（通讯作者）等人在平行的叉指换能器(IDTs)中放置一个水耦合层，置于压电基片(LiNbO3)上。再利用SAWs，在粘性聚合物介质中排列细胞，创造具有特定模式的细胞纤维，嵌入不同类型细胞中，建立复杂的三维组织结构。实验展示了HeLa细胞在聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和甲基丙烯酸明胶(GelMA)溶液中的排列，且当纤维被提取后细胞具有高的存活能力。利用SAWs和耦合层技术，细胞在光敏水凝胶纤维内模拟生理细胞在组织中的排列，这些特定模式的细胞纤维可被操控成各种结构。整个过程细胞的存活能力优良，证实该方法可控制细胞的空间分布并适应不同的环境，可用作组织工程的功能材料及研究细胞生物学。

文献链接：Surface Acoustic Waves Grant Superior Spatial Control of Cells Embedded in Hydrogel Fibers（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201602947）

本文由材料人生物材料学习小组白皓、贺曦、陈昭铭、邓宏华供稿，材料牛编辑整理。

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