頂刊動態 | Nature子刊/Nano Lett. 等生物材料最新學術進展匯總【第19期】

本期精選預覽：Adv. Funct. Mater. 具有動力自強化的石墨基薄片用于仿生人工肌肉；Angew. Chem. Int. Ed. 高度穩定的發光Zn5團簇應用于生物成像；Nano Lett. 同型癌細胞膜包覆納米顆粒的傾向性癌細胞自我識別和腫瘤自我靶向能力；Angew. Chem. Int. Ed. 可用于熒光共振能量轉移分析和雙光子激發光動力治療的多層微囊劑；Adv. Funct. Mater. 剪刀狀超分子用來檢測細胞間端粒酶的活性；Nat. Commun. 核殼結構納米尺度配位聚合物利用化療和光動力學療法協同加強檢查點阻斷免疫治療；Adv. Funct. Mater. 牡蠣粘合劑的成分和結構揭示生物復合物在材料性質上的異質性；Nat. Nanotech. ?趨磁趨氧型細菌向腫瘤乏氧區域傳遞藥物負載的納米脂質體。

1、Adv. Funct. Mater. 具有動力自強化的石墨基薄片用于仿生人工肌肉

圖1 氧化石墨烯（GO）的結構特點和自強化表現

肌肉是一種被復雜機制驅動的自適應材料，外界刺激下分層結構組織重新取向使肌肉細胞能承受更強的作用力。研究者一直致力于研究把這種優異的性能復制到人工肌肉上，但是由于缺少結構的復雜性，它們承受外力后很容易損壞。

近日，來自國家納米科學中心的劉璐琪研究員（通訊作者）和張忠研究員（通訊作者）以及清華大學的徐志平副研究員（通訊作者）等人發現石墨烯薄片和它的衍生品氧化石墨烯（GO）可以在低振幅（0.1%）張力下將剛度提高84%。這是由于在外力作用下，石墨烯薄片重新取向并進一步發生夾層間的粘合具有了自強化的特性。這一發現對于生物力學的應用有著重要意義。

文獻鏈接：Hierarchical Graphene-Based Films with Dynamic Self-Stiffening for Biomimetic Artificial Muscle（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201503917）

2、Angew. Chem. Int. Ed. 高度穩定的發光Zn5團簇應用于生物成像

圖2 a) Zn5團簇圖解 b)原位生成的配體H2L-與Zn的合成

近年來，協調團簇的合成以及它們優美的結構和豐富的功能引起了研究者們極大的興趣。為了得到具有理想性能的協調團簇，需要對它們的形成機制有更好的了解。但是由于機制的復雜性，眾多科學家在這方面停滯不前。

近日，來自廣西師范大學的曾明華教授（通訊作者）和華東理工大學的黃瑾（通訊作者）等人使用水和甲醇的混合熔熱劑反應把原位脫水的H4L配合到H3L，誘發形成了多核的團簇，并弄清了Zn5團簇原位配合轉變和聚集的機制。這種團簇從可見光到近紅外都對PH具有敏感性，可以作為熒光探針在檢測腫瘤中得到極大的應用。

文獻鏈接：Assembly of a Highly Stable Luminescent Zn5?Cluster and Application to Bio-Imaging（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201604813）

3、Nano Lett. 同型癌細胞膜包覆納米顆粒的傾向性癌細胞自我識別和腫瘤自我靶向能力

圖3 癌癥細胞膜包覆的磁性納米顆粒以及選擇性癌癥細胞自我識別、自我靶向

癌癥診斷和治療的終極目標是實現對癌癥細胞的高效特異性靶向。目前，腫瘤特異性藥物載體的尺寸大多在納米尺度范圍內，這樣更有利于腫瘤組織增強透過和滯留效應（EPR）產生的被動靶向行為。另一方面，材料與特定配體的結合還能實現腫瘤的主動靶向。然而，復雜的腫瘤環境和材料化學原理使得當前的靶向方法還未能滿足人們的醫療需求。

武漢大學的馮俊教授（通訊作者）團隊利用仿生學思想研究了不同種類癌癥細胞膜（CCCM）包覆的磁性氧化鐵納米載體平臺（MNPs）。研究人員首次實現了CCCM仿生偽裝的MNPs對體外源細胞系的高效特異性自我識別以及對體內同類腫瘤的自我識別“歸航”能力。不僅如此，藥物負載的此類仿生平臺也在活體實驗中表現出優異的腫瘤治療能力。

文獻鏈接：Preferential Cancer Cell Self-Recognition and Tumor Self-Targeting by Coating Nanoparticles with Homotypic Cancer Cell Membranes（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02786）

4、Angew. Chem. Int. Ed. 可用于熒光共振能量轉移分析和雙光子激發光動力治療的多層微囊劑

圖4 可用于FRET分析和雙光子激發PDT的多層微囊劑的示意圖

熒光共振能量轉移（FRET）是描述兩個光敏分子間能量轉移的一種機制。近年來，FRET的應用拓展到癌癥研究領域，例如光動力治療（PDT）。雙光子激發PDT比傳統的單光子PDT具有更多優勢，然而雙光子激發PDT系統必須被精心設計，而且FRET的過程和效率很難控制。通過疊層組裝得到的微囊劑，由于其組分多樣性、多結合位點和可控的壁厚，為生物分析提供了一個良好的平臺。

南京工業大學的韓明娟副教授（通訊作者）和中國科學院化學研究所的李峻柏研究員（通訊作者）等人通過疊層組裝得到了包含雙光子染料與傳統光敏劑的微囊劑。研究顯示，FRET發生在雙光子染料和光敏劑之間。通過改變組裝順序可以很容易地控制FRET的效率。此外，該微囊劑在單光子或雙光子激發下表現出光毒性。因此，這種微囊劑材料還有望在雙光子激發PDT中用于深度組織處理。

文獻鏈接：Multilayer Microcapsules for FRET Analysis and Two-Photon-Activated Photodynamic Therapy?（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605905）

5、Adv. Funct. Mater. 剪刀狀超分子用來檢測細胞間端粒酶的活性

圖5 傳感器的結構及其被端粒酶破壞的示意圖

端粒酶在大部分的癌細胞中都會過度表達，是檢測癌癥的一種重要的標記物，但是目前還沒有有效的手段來檢測它。

最近，江南大學食品科學與技術國家重點實驗室的Hua Kuang（通訊作者）等人設計了一種DNA驅動的金納米顆粒異質二聚體來檢測細胞間的端粒酶。這種探針由兩個不同半徑的金納米顆粒通過DNA鏈接，形狀像剪刀。這種不對稱的二聚體會產生圓二色性響應（CD），但是當端粒酶存在時，二聚體被破壞，CD信號強度降低，由此可以檢測到端粒酶。這種策略為利用手性電漿傳感器檢測細胞間的生物標記物開辟了道路。

文獻鏈接：Scissor-Like Chiral Metamolecules for Probing Intracellular Telomerase Activity（Adv. Funct. Mater., 2016, DOI:10.1002/adfm.201601942）

6、Nat. Commun. 核殼結構納米尺度配位聚合物利用化療和光動力學療法協同加強檢查點阻斷免疫治療

圖6 NCP@pyrolipid的制備與表征

晚期結直腸癌是最致命的癌癥之一，腫瘤轉移之后的病人的5年存活率只有12%。檢查點抑制劑目前是針對晚期結腸癌病人最有前景的免疫治療手段，但是它們的持久應答率（durable response rate）依然很低。

芝加哥大學的林文斌教授（通訊作者）課題組的研究人員報道了利用免疫原性納米顆粒來提高PD-L1抗體介導癌癥免疫治療的抗癌功效。研究人員將抗癌藥物引入納米尺度配位聚合物（NCP）作為內核，而非對稱的脂質自組裝成外殼，這樣構成的核殼結構納米顆粒（NCP@pyrolipid）同時具有化學治療和光動力學治療的能力。顆粒外殼中的感光型脂質體能夠引發光動力學療法，并且協同內核中的抗癌藥物殺死腫瘤細胞，同時提高免疫應答能力。

文獻鏈接：Core-shell nanoscale coordination polymers combine chemotherapy and photodynamic therapy to potentiate checkpoint blockade cancer immunotherapy（Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms12499.）

7、Adv. Funct. Mater. 牡蠣粘合劑的成分和結構揭示生物復合物在材料性質上的異質性

圖7 粘合劑-殼界面的背散射電鏡圖

牡蠣通過分泌一種能夠在水下凝固的粘合劑來粘附在其它的牡蠣上，許多牡蠣以這樣的方式聚集在一起就形成礁，礁可以通過過濾海水、留住淤泥以及吸收海浪的能量來維持海岸的生態系統，但是我們對這些粘合劑的成分和結構的了解還處在初始階段。

最近，科爾蓋特大學的Rebecca A. Metzler（通訊作者）等人利用多種表征手段來研究這種粘合劑的成分和結構，發現粘合劑是由碳酸鈣和二氧化硅雜亂分散在母體中組成的，其中的二氧化硅是從環境中獲得的，意味著粘合劑是在一個開放的環境中形成的，加入二氧化硅可以增加強度，同時又使粘合劑保持靈活性。

文獻鏈接：Composition and Structure of Oyster Adhesive Reveals Heterogeneous Materials Properties in a Biological Composite（Adv. Funct. Mater., 2016,?DOI:10.1002/adfm.201602348）

8、Nat. Nanotech. ?趨磁趨氧型細菌向腫瘤乏氧區域傳遞藥物負載的納米脂質體

圖8 趨磁趨氧型細菌MC-1細胞優先定位在異體移植乏氧區域

腫瘤細胞的快速增殖會消耗大量的氧氣從而導致腫瘤乏氧區域的出現。目前的一些藥物納米載體諸如脂質體、膠束等因為受制于體內系統循環，很難到達這些乏氧區域展開治療。如今學者們希望通過加強藥物載體的腫瘤滲透能力以及基于感應的位移能力來實現對乏氧區的靶向。納米機器人可以解決上述問題，然而其自身的尺度卻阻礙了與納米載體的整合。因此，學者們開始考慮利用自然納米機器人實際實現靶向功能。

蒙特利爾綜合理工學院的S. Martel（通訊作者）等學者利用趨磁細菌在磁場中的遷移行為來運輸藥物負載的納米脂質體。這種細菌利用自身的雙態趨氧感應系統能夠實現對低氧區域的高效遷移和停駐。這些研究人員將這種負載納米治療試劑的細菌注射入小鼠體內，發現有55%的細菌成功滲透進入結直腸腫瘤乏氧區。此項研究中的成果不僅動搖了傳統的治療理念，還為加強現有的納米治療效果提供了新的可能。

文獻鏈接：Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions（Nat. Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/nnano.2016.137）

本文由材料人生物材料學習小組陳世雄、魯健、李倫、賀曦、陳昭銘供稿，材料牛編輯整理。

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