Nano Letters: 理化所發現分子靶向天然冰晶成核劑

水結冰是自然界中普遍存在的現象，在相對較高的過冷度下，能夠促進水相變的物質被稱作冰晶成核劑。冰晶成核劑對氣候調節（如人工降雪）、農業發展（促凍殺蟲）、制冷（提高相變點以促進節能）、生物醫學（強化殺傷作用）等領域均有廣闊的應用前景。目前常用的冰晶成核劑通常包括兩類，一類以無機材料為主，如碘化銀（常用于人工降雨）、礦物顆粒及無機納米顆粒；另一類生物冰核以細菌和真菌為主，對農作物防霜凍具有重要的調節作用。然而，目前天然的具有生物相容性的冰晶成核劑鮮有報道，特別是具有分子靶向性的冰晶成核劑研究較少。

近日，針對此問題，中科院理化所劉靜研究團隊發現天然產物納米纖維素晶體具有促進冰晶生長的特性，通過將自然界第一豐富的多糖納米纖維素晶和第二豐富的多糖殼聚糖進行交聯獲得了分子靶向冰晶成核劑（圖1）。

圖1. 納米纖維素晶體促進針狀冰晶生長和調控分子靶向冰晶成核原理示意圖。

實驗證明，當納米纖維素晶存在時，冰球的形成尺寸可提高約37%。更有趣的是，納米纖維素晶的加入可以刺激冰晶的邊緣呈現針尖狀生長。這表明該納米體系的加入不僅能夠增強細胞的冷凍損傷更進一步促進了細胞的機械損傷。分子動力學模擬結果表明，納米纖維素晶的加入確實使冰晶生長的速度加快了約500倍，而且纖維素羥基在(-110)表面的有效暴露可能是導致水更快成核的主要作用機制（圖2）。

圖2. 納米纖維素晶在冰晶成核中的分子水平機理。

進一步的，利用靶向性材料殼聚糖修飾納米纖維素晶，發展了一種無毒且能有效增強特定部位冰晶成核的增強劑。該冰晶靶向成核劑借助細胞對納米顆粒的胞吞效應，大大促進了胞內冰晶成核率（見圖3）。

圖3. 殼聚糖-納米纖維素晶促進細胞內冰晶成核率。

基于以上發現，我們將開發的殼聚糖-納米纖維素晶靶向成核增強劑引入低溫冷凍治療領域，首次提出了分子冷療概念，借助殼聚糖-納米纖維素晶強化相變機械損傷和強化傳熱的協同作用機制，實現了冷凍消融相變過程中分子尺度能量的精準遞送。結果表明，將靶向冰晶成核劑引入冷凍消融后，添加殼聚糖-納米纖維素晶體的細胞存活率比單獨冷凍消融的細胞存活率降低了10倍以上。進一步的體內實驗也驗證了其安全性及增強的腫瘤破壞效果，證明了納米纖維素晶體優越的冰晶成核性能（圖4）。

這項工作促進了材料科學、低溫生物學和腫瘤治療學的基礎科學知識的交叉應用，并加深了對冰核形成機制的理解，從而對冰核形成的基本原理有了深刻的認識。

相關成果以“Cellulose Nanocrystals Facilitate Needle-like Ice Crystal Growth and?Modulate Molecular Targeted Ice Crystal Nucleation”為題，發表在Nano Letters上，并被選為supplementary封面文章（圖5，DOI:10.1021/acs.nanolett.1c00514）。文章第一作者為理化所在讀博士生后儀，饒偉研究員為該論文的通訊作者。以上研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的大力支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00514。

圖4. 殼聚糖修飾的納米纖維素晶介導的冷凍手術的細胞毒性和抗腫瘤能力。

圖5. Supplementary封面。

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