頂刊動態 | Nature子刊/Angewandte/AM/ACS Nano等期刊生物材料最新學術進展匯總【160717期】

1、ACS Nano：石墨烯對原代神經元細胞的影響

圖1 石墨烯對突觸的影響

石墨烯是最有前途的生物醫學材料之一，并且已經應用在很多工業領域。隨著石墨烯的應用越來越多，石墨烯對人體的安全性問題越來越突出。雖然已經有很多的報導已經提及石墨烯及其衍生物的毒性，但是還沒有人報導過短期或長期接觸石墨烯對原代神經元的影響。

最近，意大利理工學院的Fabrizia Cesca（通訊作者）和Fabio Benfenati（通訊作者）等人研究了純凈石墨烯（GR）和氧化石墨烯（GO）對原代神經元細胞的影響。除了分析石墨烯對細胞存活的影響之外，他們還研究了石墨烯的吸收途徑、石墨烯對突觸功能和神經元興奮性的影響以及石墨烯對神經元脂質和蛋白質的影響。他們發現GR和GO雖然不影響細胞的存活，但是會影響神經信號的傳遞以及神經網絡的功能，因此在使用石墨烯作為生物材料時要特別注意。

文獻鏈接：Graphene Oxide Nanosheets Disrupt Lipid Composition, Ca2+Homeostasis, and Synaptic Transmission in Primary Cortical Neurons（ACS Nano，2016，10.1021/acsnano.6b03438）

2、Advanced Materials ：用聚合物囊泡運輸藥物來高效定向抑制小鼠體內的人類肺癌

圖２　聚合物囊泡的結構

利用納米粒子將藥物運輸到指定的地點來治療疾病已經引起廣泛關注，但是這些藥物大多是親脂性的，能運輸親水性小分子藥物的納米顆粒很少。脂質體、納米膠囊、聚合物囊泡是運輸親水性藥物的最理想載體，但是它們的藥物加載量和效率一般很低。

最近，蘇州大學的孟鳳華（通訊作者）和鐘志遠（通訊作者）等人報導了一種用茴香酰胺（Anis）修飾的聚合物囊泡（Anis-Rccp）能有效加載親水性的抗癌藥（MTX?2Na），并且將藥物定向運輸到腫瘤處釋放從而完全抑制腫瘤生長，但是并不影響正常的組織。Anis-Rccp由兩種三段共聚物（PEG-P(HPMA-LA)-PDMA 和Anis-PEG-P(HPMA-LA)-PDMA））通過自組裝得到，并且使其中的P(HPMA-LA)層發生交聯。在Anis-Rccp中，PDMA能加載抗癌藥， P(HPMA-LA)能夠保護藥物并且在腫瘤處釋放藥物（發生脫交聯），PEG能提高生物相容性，而Anis則具有靶向作用。這是首次用聚合物囊泡實現對MTX?2Na的高效定向運輸。

文獻鏈接：Efficient and Targeted Suppression of Human Lung Tumor Xenografts in Mice with Methotrexate Sodium Encapsulated in All-Function-in-One Chimeric Polymersomes（Advanced Materials，2016，DOI：10.1002/adma.201600065）

3、ACS Nano：通過與超分子聚合物共組裝來調控肽納米管的尺寸

圖3 FF（紅色）和Boc-FF（藍色）共組裝成納米管

由肽通過自組裝形成的有序納米管在科技中有重要應用，但是目前還很難控制肽納米管的長度。

最近，以色列特拉維夫大學的Ehud Gazit（通訊作者）等人證明可以通過Boc-FF（FF的相似物）來控制二苯基肽（FF）納米管的長度。他們發現將Boc-FF加入FF中，能夠縮短FF納米管的長度，并且使FF納米管的長度更加集中在某一區間，FF納米管的長度可以通過Boc-FF的含量調控。分析表明納米管是由Boc-FF和FF的雜化材料組成的，Boc-FF可以影響納米管的形成過程從而影響納米管的長度。

文獻鏈接：Controlling the Physical Dimensions of Peptide Nanotubes by Supramolecular Polymer Coassembly（ACS Nano，2016，10.1021/acsnano.6b01587）

4、Nano Letters：2D磷酸鎂形成的觸變性水凝膠促進骨骼的生成

圖4 磷酸鎂水凝膠的觸變性

鎂是人體中含量第四多的金屬元素，能夠促進羥基磷灰石（骨骼的主要成分）的形成、骨細胞的粘附、增殖和分化等。磷酸鎂有很好的生物相容性和生物可吸收性，有望代替傳統的生物陶瓷用于骨組織工程上，但是目前的磷酸鎂材料不能直接注射。

最近，加拿大麥吉爾大學的Jake E. Barralet （通訊作者）和 Faleh Tamimi（通訊作者）等人制備了一種由2D的磷酸鎂形成的水凝膠，這種水凝膠有很好的觸變性（剪切力大時像液體，剪切力小或無時像固體，如圖），能夠通過注射器注射到小鼠骨骼受損處促進骨骼的再生（注射后像固體）。這種水凝膠是從NaOH-Mg(OH)2-H3PO4混合溶液中析出的，由Mg2+、Na+、HPO4^2- 和PO4^3-離子組成，磷酸鎂納米晶同時帶有正電荷和負電荷（邊緣是正電荷），不同納米晶通過靜電力相互作用交聯成物理水凝膠。這是目前唯一一種能通過注射來幫助骨骼修復的材料。

文獻鏈接：Two-Dimensional Magnesium Phosphate Nanosheets Form Highly Thixotropic Gels That Up-Regulate Bone Formation（Nano Letters，2016，10.1021/acs.nanolett.6b00636）

5、Chemical Reviews：發光量子點生物軛合物的能量傳遞在生物傳感、能量采集等領域的應用

圖5 發光量子點

納米技術的發展使很多領域得到了快速發展，包括腫瘤學和能同時提供體內腫瘤靶向、局部藥物緩釋和腫瘤標記物生物傳感的納米尺寸的生物納米（NM）醫藥設備。膠質的半導體納米晶體通常被稱為量子點（QDs），是最受關注、多產且有發展前景的納米材料之一。通常可以通過用生物基團修飾材料或通過生物耦合和能量傳遞（ET）過程耦合QDs與其他分子、納米材料的性質來賦予QDs新的性能。

美國生物分子科學與工程中心的Igor L. Medintz（通訊作者）等人回顧了QDs的發展歷史，簡要介紹了QDs的表面功能化與生物耦合技術，概述了能量轉移機制和信號轉導，并對現存問題和未來的發展方向提出了他們的看法。

文獻鏈接：Energy Transfer with Semiconductor Quantum Dot Bioconjugates: A Versatile Platform for Biosensing, Energy Harvesting, and Other Developing Applications（Chemical Reviews，2016，DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00030）

6、Angewandte Chemie International Edition：線粒體靶向劑在缺氧條件下提高光動力治療效果

圖6 (a)(b) 基于銥（Ⅲ）化合物合成的兩種光敏劑；(c) 線粒體和溶酶體靶向PDT的過程

光動力療法（PDT）是一種光活化和非侵入性的醫療技術，現已被用于癌癥治療。其中細胞器靶向劑也已被報道應用于PDT中。

南京郵電大學的Qiang Zhao（通訊作者）和Wei Huang（通訊作者）等人基于銥（Ⅲ）化合物合成了兩種光敏劑，分別作用于被染色的線粒體和活細胞的溶酶體。這兩種光敏劑都表現出了持續的磷光發光。在常氧和缺氧條件下評估光敏劑的PDT效果，研究顯示線粒體靶向光敏劑處理的HeLa細胞保持了較低的呼吸率，說明線粒體呼吸被抑制，導致線粒體內部氧含量升高，即可導致缺氧細胞內的氧氣水平較高，因此很適于對缺氧腫瘤細胞使用PDT。顯示出線粒體靶向劑用于PDT治療癌癥的可能性，并可用于開發高效細胞器靶向PDT治療劑。

文獻鏈接：A Mitochondria-Targeted Photosensitizer Showing Improved Photodynamic Therapy Effects Under Hypoxia（Angewandte Chemie International Edition，2016，DOI: 10.1002/anie.201604130）

7、Angewandte Chemie International Edition：使用酪氨酸酶應用生物正交方法制備鈦結合類胰島素生長因子1

圖7 受貽貝啟發的IGF-1衍生物的制備

金屬表面生物屬性的產生，例如促進細胞增長和誘導分化的能力，都可用于發展適于人體的功能材料，包括人工牙種植體和人工關節。但現有的蛋白質在金屬表面的固定化技術并不成熟。

日本納米醫學工程實驗室的Yoshihiro Ito（通訊作者）等人受到貽貝的啟發，利用貽貝分泌的水下黏附蛋白中含有的3,4-二羥苯丙氨酸（DOPA），將其與蛋白質特異性結合，將產生有利于信號傳導過程的蛋白質三級結構，更好調控細胞生長基因的表達。他們選擇了類胰島素生長因子1（IGF-1）作為模板系統研究金屬表面固定化生物因子的影響。使用DNA重組技術添加多種酪氨酸殘基，采用生物正交方法使用酪氨酸酶將DOPA嵌入IGF-1中。這種方法顯著增強了IGF-1對鍍鈦處理試樣表面的結合力，其衍生物也提高了N1H3T3細胞增長能力。這種新方法可用來制備新型細胞生長增強材料。

文獻鏈接：A Bioorthogonal Approach for the Preparation of a Titanium-Binding Insulin-like Growth-Factor-1 Derivative by using Tyrosinase （Angewandte Chemie International Edition， 2016，DOI:10.1002/anie.201603155）

8、Nature Nanotechnology：數字編碼的DNA納米結構用于檢測具有納米孔的單分子蛋白

圖8 雙鏈DNA的三維結構效果圖

在生物納米研究技術中，對樣品的同步檢測很重要。納米傳感可以被用在小型便捷式設備體系結構中，可用于檢測樣品中的多個亞群。固體納米孔制成的單分子傳感器可以檢測分子的電荷、分子量和構象。但其存在固有限制，如記錄的帶寬窄和受限的分辨率。

英國劍橋大學的Nicholas A. W. Bell（通訊作者）和Ulrich F. Keyser（通訊作者）根據DNA折紙的原理，設計了含有獨特條碼的DNA納米結構數據庫，每一個位點對應著DNA的存在或缺失。可通過在DNA不同位置出現的抗原呈遞檢測到單個特異性抗體。這種方法可以在納摩爾濃度水平同時檢測同一模型標本的不同抗體，同時提高了讀取的精度，創建了高精度的納米傳感平臺。

文獻鏈接：Digitally encoded DNA nanostructures for multiplexed, single-molecule protein sensing with nanopores （Nature Nanotechnology，2016，DOI:10.1038/nnano.2016.50）

9、Nano Letters：用單層石墨烯限制磷脂雙層膜的運動

圖9　在有圖案的地方生成磷脂雙層膜（高的長方體為雙層膜，將它們分開的為單層石墨烯）

磷脂雙層膜是細胞膜的主要成分，對細胞間的信號傳遞和物質運輸有重要作用。將雙層膜放在有圖案的基底上可以限制膜的運動從而方便人們研究雙層膜的功能，但是這種圖案的高度一般比雙層膜還要高。

最近，美國加州大學的Jay T. Groves（通訊作者）等人用CVD法在銅基底上生成單層石墨烯，然后用匯聚離子束去除某些地方的石墨烯形成圖案，再將石墨烯移到玻璃基板上。他們發現在一定條件下有圖案的地方可以生成磷脂雙層，而石墨烯表面沒有（某些缺陷處也有），雖然磷脂雙層比石墨烯還要高（如圖），但是石墨烯可以限制磷脂雙層（磷脂雙層是由分子自組裝形成的，有一定流動性）向其它空的圖案擴散。如果在不同圖案之間開一條縫，則磷脂雙層可以通過這條縫擴散，擴散的速率與縫的寬度有關，而磷脂雙層與縫周邊的石墨烯的作用非常小。

文獻鏈接：Graphene-Templated Supported Lipid Bilayer Nanochannels（Nano Letters，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b01798）

10、ACS Nano：基因工程改變聲學蛋白質的性質

圖10 ?Ana GVs的結構（a-c）以及對其進行改性（d，e）

氣囊泡（GVs）是由蛋白質組成的密閉空殼結構，里面充滿氣體，氣體可以自由進出，但是水分子卻不能進入。Gvs能夠使超聲波發生散射，并且還能在壓力下破裂，因而能夠進行多模式聲學成像。Ana GVs是屬于GVs的一種，它是圓柱狀的，并且兩端以圓錐封頂，Ana GVs主要由兩種蛋白質組成，與軸向垂直的GVpA和粘附在圓柱外圍的GVpC（能增加GVs的力學性能）。

最近，美國加州理工大學的Mikhail G. Shapiro（通訊作者）等人發現可以通過基因工程的方法去除GVpC或者改變它們的化學成分或者將它們與其它分子結合從而改變GVs的力學性能、聲學性能、靶向定位性能等，改性后的Ana GVs能夠被運輸到特定的細胞，并且還能進行多模式的超聲波成像。

文獻鏈接：Molecular Engineering of Acoustic Protein Nanostructures（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03364）

11、Advanced Materials：微米/納米顆粒增強聲動力療法—解決光動力療法穿透性差的問題

圖11 超聲波產生活性氧團簇的原理

將超聲波用于腫瘤診斷和治療已經引起廣泛的關注。超聲波在不同組織中有不同的傳播特性，因而可以用來進行生物成像；一些物質在超聲波的作用下會發熱或者產生活性氧團簇（ROS）從而有效殺死癌細胞，雖然超聲波的作用機理沒有完全弄清楚，不過大家普遍認為這與超聲波產生的空化效應（超聲波在液體傳播過程中會對液體產生周期性的拉伸和壓縮，在拉伸時液體會出現小的氣泡，氣泡在壓縮時會破裂）有關。與用光動力療法治療癌癥相比，聲動力療法有更的穿透能力（約10cm）。傳統的聲敏感分子的不能在腫瘤處富集并且很容易被清除，而微米/納米顆粒則能夠增強它們的治療效果。

最近，上海交通大學附屬第六人民醫院的Yuanyi Zheng（通訊作者）和上海硅酸鹽研究所的陳雨（通訊作者）在一篇Review里回顧了幾種能夠增強聲動力療法效果的微米/納米顆粒，并且討論了它們的毒性以及未來的發展方向。

文獻鏈接：Micro/Nanoparticle-Augmented Sonodynamic Therapy (SDT): Breaking the Depth Shallow of Photoactivation（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201602012）

12、Advanced Materials:用多孔硅/聚合物納米復合材料運輸肽核酸來抑制miRNA

圖12 多孔硅/聚合物納米復合材料的制造

肽核酸(PNA)DNA仿制品對于修改基因在病態細胞的表達有著光明的前景，因為它們中性的骨架增加了它們的穩定性、對核酸酶的抵抗能力以及對核酸目標的親和力。PNA可以抑制miRNAs從而治療某些疾病。但是由于PNA是中性的，很難用常用的運輸帶電核酸的運輸工具來運輸PNA。

最近，美國范德比爾特大學的 Craig L. Duvall（通訊作者）等人將PNA加載在多孔納米硅上，并且在納米硅的表面覆蓋一層PEGDB聚合物，成功提高了PNA的治療效果。納米硅（表面被氧化）表面帶負電，而PEGDB帶正電，只需將PEGDB與納米硅混合就能將PEGDB覆蓋在納米硅的表面上。這種納米顆粒的制備方法簡單，能加載的藥物量大，為抑制miRNA和治療其它疾病提供了一個藥物運輸平臺。

文獻鏈接：Porous Silicon and Polymer Nanocomposites for Delivery of Peptide Nucleic Acids as Anti-MicroRNA Therapies（Advanced Materials， 2016，DOI: 10.1002/adma.201601646）

本文由材料人生物材料學習小組CZM供稿，材料牛編輯整理。

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