華東理工大學(xué)顧金樓《CM》：納米介孔MOFs孔道內(nèi)級(jí)聯(lián)生物反應(yīng)器的定位構(gòu)建及其用于細(xì)胞內(nèi)活性氧的清除
發(fā)布時(shí)間：2021-04-07 09:06:47 人氣：1817
生命體內(nèi)的區(qū)室化和級(jí)聯(lián)反應(yīng)是自然界中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)代謝和和高效信息交流的基本原則，該種方式能夠允許中間產(chǎn)物在各催化單元之間的高效和定向轉(zhuǎn)移。因此，在人工系統(tǒng)中模擬這種高效有序的納米微環(huán)境引起了人們的極大興趣。目前，基于多孔材料的多種生物反應(yīng)器已經(jīng)被開發(fā)出來，并期盼將不同酶的催化作用高效偶聯(lián)起來。金屬有機(jī)骨架（MOFs）高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)和可變的組成成分使其成為構(gòu)建此類生物反應(yīng)器的理想材料。MOFs的優(yōu)勢不僅在于可以對(duì)其物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，引入介孔結(jié)構(gòu)對(duì)大分子酶進(jìn)行負(fù)載，還可以改變孔壁上的化學(xué)組成，賦予其可與酶相協(xié)同的催化作用。然而，在MOFs中使用軟模板作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑自組裝形成介孔的同時(shí)保持其結(jié)晶性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是由于在MOFs生長過程中結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力通常非常強(qiáng)，因此前驅(qū)體傾向于優(yōu)先結(jié)晶，而將模板劑排除在自組裝過程之外，使其不能起到結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的作用。
針對(duì)上述問題，華東理工大學(xué)顧金樓教授團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種Hofmeister離子介導(dǎo)的軟模板自組裝策略，實(shí)現(xiàn)了介孔MOFs的可控合成，并在此基礎(chǔ)上對(duì)MOFs的微介孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)功能化，成功構(gòu)建了納米級(jí)偶聯(lián)生物反應(yīng)器用于細(xì)胞內(nèi)活性氧的清除。如圖1所示，作者采用UiO-66型MOF作為基體，F(xiàn)127作為模板劑，ClO4-作為鹽溶離子，合成了孔徑約為7 nm的納米介孔MOFs。同時(shí)，得益于Zr6團(tuán)簇配位方式的多樣性，具有過氧化氫酶（CAT）活性的錳卟啉分子可作為配體引入到骨架中，與介孔內(nèi)負(fù)載的天然超氧化物歧化酶（SOD）協(xié)同作用構(gòu)成級(jí)聯(lián)抗氧化系統(tǒng)用于細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）的高效清除。
該研究團(tuán)隊(duì)首先通過調(diào)控反應(yīng)體系的參數(shù)，揭示了該自組裝策略的主要影響因素。首先，作為一種Hofmeister鹽溶離子，ClO4-在本體系介孔的形成過程起著關(guān)鍵作用。ClO4-的作用在于增強(qiáng)MOFs前驅(qū)體于共聚物膠束之間的相互作用，從而阻止自組裝系統(tǒng)中共聚物膠束和MOFs前驅(qū)體的相分離。在沒有ClO4-的情況下只能獲得沒有介孔的UiO-66-NH2。其次，調(diào)節(jié)劑的用量是控制納米顆粒介孔結(jié)構(gòu)和形貌的關(guān)鍵因素。一系列的對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)調(diào)節(jié)劑的量較少時(shí)，所獲得的納米粒子較小，但是產(chǎn)物的結(jié)晶度較低。當(dāng)調(diào)節(jié)劑的加入量過多，顆粒形狀將變得不規(guī)則，且尺寸增大，不利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞的內(nèi)吞。
作者使用掃描電鏡、透射電鏡、氮?dú)馕綔y試和掃描透射電子顯微鏡等手段對(duì)材料進(jìn)行了詳細(xì)的表征。結(jié)果表明該材料介孔尺寸約為7.4 nm，粒徑約100 nm（圖2），且在摻雜卟啉配體之后形貌及結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的變化（圖3）。
體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該介孔MOFs作為載體可對(duì)負(fù)載的SOD提供良好的保護(hù)作用。在緩沖液中浸泡一段時(shí)間后，相比于游離的SOD，SOD@HMUiO-MnTCPP仍然具有較高的O2-抑制活性（圖4a，b）。同時(shí)，摻雜的Mn-TCPP配體賦予了HMUiO-MnTCPP類CAT活性，可將SOD催化O2-產(chǎn)生的H2O2進(jìn)一步分解為H2O和O2（圖4c，d）。
隨后，該團(tuán)隊(duì)采用百草枯（PQ）作為氧化應(yīng)激源來刺激HeLa細(xì)胞內(nèi)ROS的過表達(dá)，以此為模型檢測該抗氧化系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞的保護(hù)能力。如圖5a和5b所示，SOD@HMUiO-MnTCPP對(duì)細(xì)胞活力的影響與劑量呈正相關(guān)。同時(shí)，與未處理細(xì)胞相比，HMUiO-MnTCPP和游離SOD處理組的細(xì)胞存活率僅略有增加。表明了SOD@HMUiO-MnTCPP中天然SOD和模擬CAT酶對(duì)ROS清除的協(xié)同作用，使該納米系統(tǒng)具有更顯著的抗氧化保護(hù)水平。為進(jìn)一步監(jiān)測不同MOFs處理后細(xì)胞中ROS的含量，采用2’，7’-二氯熒光素二乙酸（DCFH-DA）法進(jìn)行測試。經(jīng)PQ預(yù)處理過的HeLa細(xì)胞可在激光共焦掃描顯微鏡（CLSM）成像中產(chǎn)生顯著熒光增強(qiáng)，與細(xì)胞內(nèi)高水平的ROS相對(duì)應(yīng)（圖5c）。而經(jīng)SOD@HMUiO-MnTCPP預(yù)處理過的細(xì)胞內(nèi)熒光明顯減弱，進(jìn)一步證明該系統(tǒng)對(duì)ROS突出的清除能力。此外，因氧化應(yīng)激產(chǎn)生的p-p38和COX-II被選作生物標(biāo)記物進(jìn)一步評(píng)價(jià)該納米體系的抗氧化能力。Western Blot結(jié)果表明，在SOD@HMUiO-MnTCPP治療組中，細(xì)胞內(nèi)p-p38和COX II的表達(dá)水平顯著減少，再次說明所設(shè)計(jì)合成的功能化生物反應(yīng)器具有清除細(xì)胞內(nèi)O2-和H2O2的能力，能有效地保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷（圖5d）。
相關(guān)論文發(fā)表在Chemistry of Materials上，華東理工大學(xué)博士研究生李可為文章的第一作者，顧金樓教授為通訊作者。
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