顶刊动态 | Nature子刊/Angewandte/AM/ACS Nano等期刊生物材料最新学术进展汇总【160717期】

1、ACS Nano：石墨烯对原代神经元细胞的影响

图1 石墨烯对突触的影响

石墨烯是最有前途的生物医学材料之一，并且已经应用在很多工业领域。随着石墨烯的应用越来越多，石墨烯对人体的安全性问题越来越突出。虽然已经有很多的报导已经提及石墨烯及其衍生物的毒性，但是还没有人报导过短期或长期接触石墨烯对原代神经元的影响。

最近，意大利理工学院的Fabrizia Cesca（通讯作者）和Fabio Benfenati（通讯作者）等人研究了纯净石墨烯（GR）和氧化石墨烯（GO）对原代神经元细胞的影响。除了分析石墨烯对细胞存活的影响之外，他们还研究了石墨烯的吸收途径、石墨烯对突触功能和神经元兴奋性的影响以及石墨烯对神经元脂质和蛋白质的影响。他们发现GR和GO虽然不影响细胞的存活，但是会影响神经信号的传递以及神经网络的功能，因此在使用石墨烯作为生物材料时要特别注意。

文献链接：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 ：用聚合物囊泡运输药物来高效定向抑制小鼠体内的人类肺癌

图２　聚合物囊泡的结构

利用纳米粒子将药物运输到指定的地点来治疗疾病已经引起广泛关注，但是这些药物大多是亲脂性的，能运输亲水性小分子药物的纳米颗粒很少。脂质体、纳米胶囊、聚合物囊泡是运输亲水性药物的最理想载体，但是它们的药物加载量和效率一般很低。

最近，苏州大学的孟凤华（通讯作者）和钟志远（通讯作者）等人报导了一种用茴香酰胺（Anis）修饰的聚合物囊泡（Anis-Rccp）能有效加载亲水性的抗癌药（MTX⋅2Na），并且将药物定向运输到肿瘤处释放从而完全抑制肿瘤生长，但是并不影响正常的组织。Anis-Rccp由两种三段共聚物（PEG-P(HPMA-LA)-PDMA 和Anis-PEG-P(HPMA-LA)-PDMA））通过自组装得到，并且使其中的P(HPMA-LA)层发生交联。在Anis-Rccp中，PDMA能加载抗癌药， P(HPMA-LA)能够保护药物并且在肿瘤处释放药物（发生脱交联），PEG能提高生物相容性，而Anis则具有靶向作用。这是首次用聚合物囊泡实现对MTX⋅2Na的高效定向运输。

文献链接：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：通过与超分子聚合物共组装来调控肽纳米管的尺寸

图3 FF（红色）和Boc-FF（蓝色）共组装成纳米管

由肽通过自组装形成的有序纳米管在科技中有重要应用，但是目前还很难控制肽纳米管的长度。

最近，以色列特拉维夫大学的Ehud Gazit（通讯作者）等人证明可以通过Boc-FF（FF的相似物）来控制二苯基肽（FF）纳米管的长度。他们发现将Boc-FF加入FF中，能够缩短FF纳米管的长度，并且使FF纳米管的长度更加集中在某一区间，FF纳米管的长度可以通过Boc-FF的含量调控。分析表明纳米管是由Boc-FF和FF的杂化材料组成的，Boc-FF可以影响纳米管的形成过程从而影响纳米管的长度。

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

4、Nano Letters：2D磷酸镁形成的触变性水凝胶促进骨骼的生成

图4 磷酸镁水凝胶的触变性

镁是人体中含量第四多的金属元素，能够促进羟基磷灰石（骨骼的主要成分）的形成、骨细胞的粘附、增殖和分化等。磷酸镁有很好的生物相容性和生物可吸收性，有望代替传统的生物陶瓷用于骨组织工程上，但是目前的磷酸镁材料不能直接注射。

最近，加拿大麦吉尔大学的Jake E. Barralet （通讯作者）和 Faleh Tamimi（通讯作者）等人制备了一种由2D的磷酸镁形成的水凝胶，这种水凝胶有很好的触变性（剪切力大时像液体，剪切力小或无时像固体，如图），能够通过注射器注射到小鼠骨骼受损处促进骨骼的再生（注射后像固体）。这种水凝胶是从NaOH-Mg(OH)2-H3PO4混合溶液中析出的，由Mg2+、Na+、HPO4^2- 和PO4^3-离子组成，磷酸镁纳米晶同时带有正电荷和负电荷（边缘是正电荷），不同纳米晶通过静电力相互作用交联成物理水凝胶。这是目前唯一一种能通过注射来帮助骨骼修复的材料。

文献链接：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：发光量子点生物轭合物的能量传递在生物传感、能量采集等领域的应用

图5 发光量子点

纳米技术的发展使很多领域得到了快速发展，包括肿瘤学和能同时提供体内肿瘤靶向、局部药物缓释和肿瘤标记物生物传感的纳米尺寸的生物纳米（NM）医药设备。胶质的半导体纳米晶体通常被称为量子点（QDs），是最受关注、多产且有发展前景的纳米材料之一。通常可以通过用生物基团修饰材料或通过生物耦合和能量传递（ET）过程耦合QDs与其他分子、纳米材料的性质来赋予QDs新的性能。

美国生物分子科学与工程中心的Igor L. Medintz（通讯作者）等人回顾了QDs的发展历史，简要介绍了QDs的表面功能化与生物耦合技术，概述了能量转移机制和信号转导，并对现存问题和未来的发展方向提出了他们的看法。

文献链接：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：线粒体靶向剂在缺氧条件下提高光动力治疗效果

图6 (a)(b) 基于铱（Ⅲ）化合物合成的两种光敏剂；(c) 线粒体和溶酶体靶向PDT的过程

光动力疗法（PDT）是一种光活化和非侵入性的医疗技术，现已被用于癌症治疗。其中细胞器靶向剂也已被报道应用于PDT中。

南京邮电大学的Qiang Zhao（通讯作者）和Wei Huang（通讯作者）等人基于铱（Ⅲ）化合物合成了两种光敏剂，分别作用于被染色的线粒体和活细胞的溶酶体。这两种光敏剂都表现出了持续的磷光发光。在常氧和缺氧条件下评估光敏剂的PDT效果，研究显示线粒体靶向光敏剂处理的HeLa细胞保持了较低的呼吸率，说明线粒体呼吸被抑制，导致线粒体内部氧含量升高，即可导致缺氧细胞内的氧气水平较高，因此很适于对缺氧肿瘤细胞使用PDT。显示出线粒体靶向剂用于PDT治疗癌症的可能性，并可用于开发高效细胞器靶向PDT治疗剂。

文献链接：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：使用酪氨酸酶应用生物正交方法制备钛结合类胰岛素生长因子1

图7 受贻贝启发的IGF-1衍生物的制备

金属表面生物属性的产生，例如促进细胞增长和诱导分化的能力，都可用于发展适于人体的功能材料，包括人工牙种植体和人工关节。但现有的蛋白质在金属表面的固定化技术并不成熟。

日本纳米医学工程实验室的Yoshihiro Ito（通讯作者）等人受到贻贝的启发，利用贻贝分泌的水下黏附蛋白中含有的3,4-二羟苯丙氨酸（DOPA），将其与蛋白质特异性结合，将产生有利于信号传导过程的蛋白质三级结构，更好调控细胞生长基因的表达。他们选择了类胰岛素生长因子1（IGF-1）作为模板系统研究金属表面固定化生物因子的影响。使用DNA重组技术添加多种酪氨酸残基，采用生物正交方法使用酪氨酸酶将DOPA嵌入IGF-1中。这种方法显著增强了IGF-1对镀钛处理试样表面的结合力，其衍生物也提高了N1H3T3细胞增长能力。这种新方法可用来制备新型细胞生长增强材料。

文献链接：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：数字编码的DNA纳米结构用于检测具有纳米孔的单分子蛋白

图8 双链DNA的三维结构效果图

在生物纳米研究技术中，对样品的同步检测很重要。纳米传感可以被用在小型便捷式设备体系结构中，可用于检测样品中的多个亚群。固体纳米孔制成的单分子传感器可以检测分子的电荷、分子量和构象。但其存在固有限制，如记录的带宽窄和受限的分辨率。

英国剑桥大学的Nicholas A. W. Bell（通讯作者）和Ulrich F. Keyser（通讯作者）根据DNA折纸的原理，设计了含有独特条码的DNA纳米结构数据库，每一个位点对应着DNA的存在或缺失。可通过在DNA不同位置出现的抗原呈递检测到单个特异性抗体。这种方法可以在纳摩尔浓度水平同时检测同一模型标本的不同抗体，同时提高了读取的精度，创建了高精度的纳米传感平台。

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

9、Nano Letters：用单层石墨烯限制磷脂双层膜的运动

图9　在有图案的地方生成磷脂双层膜（高的长方体为双层膜，将它们分开的为单层石墨烯）

磷脂双层膜是细胞膜的主要成分，对细胞间的信号传递和物质运输有重要作用。将双层膜放在有图案的基底上可以限制膜的运动从而方便人们研究双层膜的功能，但是这种图案的高度一般比双层膜还要高。

最近，美国加州大学的Jay T. Groves（通讯作者）等人用CVD法在铜基底上生成单层石墨烯，然后用汇聚离子束去除某些地方的石墨烯形成图案，再将石墨烯移到玻璃基板上。他们发现在一定条件下有图案的地方可以生成磷脂双层，而石墨烯表面没有（某些缺陷处也有），虽然磷脂双层比石墨烯还要高（如图），但是石墨烯可以限制磷脂双层（磷脂双层是由分子自组装形成的，有一定流动性）向其它空的图案扩散。如果在不同图案之间开一条缝，则磷脂双层可以通过这条缝扩散，扩散的速率与缝的宽度有关，而磷脂双层与缝周边的石墨烯的作用非常小。

文献链接：Graphene-Templated Supported Lipid Bilayer Nanochannels（Nano Letters，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b01798）

10、ACS Nano：基因工程改变声学蛋白质的性质

图10  Ana GVs的结构（a-c）以及对其进行改性（d，e）

气囊泡（GVs）是由蛋白质组成的密闭空壳结构，里面充满气体，气体可以自由进出，但是水分子却不能进入。Gvs能够使超声波发生散射，并且还能在压力下破裂，因而能够进行多模式声学成像。Ana GVs是属于GVs的一种，它是圆柱状的，并且两端以圆锥封顶，Ana GVs主要由两种蛋白质组成，与轴向垂直的GVpA和粘附在圆柱外围的GVpC（能增加GVs的力学性能）。

最近，美国加州理工大学的Mikhail G. Shapiro（通讯作者）等人发现可以通过基因工程的方法去除GVpC或者改变它们的化学成分或者将它们与其它分子结合从而改变GVs的力学性能、声学性能、靶向定位性能等，改性后的Ana GVs能够被运输到特定的细胞，并且还能进行多模式的超声波成像。

文献链接：Molecular Engineering of Acoustic Protein Nanostructures（ACS Nano，2016，DOI：10.1021/acsnano.6b03364）

11、Advanced Materials：微米/纳米颗粒增强声动力疗法—解决光动力疗法穿透性差的问题

图11 超声波产生活性氧团簇的原理

将超声波用于肿瘤诊断和治疗已经引起广泛的关注。超声波在不同组织中有不同的传播特性，因而可以用来进行生物成像；一些物质在超声波的作用下会发热或者产生活性氧团簇（ROS）从而有效杀死癌细胞，虽然超声波的作用机理没有完全弄清楚，不过大家普遍认为这与超声波产生的空化效应（超声波在液体传播过程中会对液体产生周期性的拉伸和压缩，在拉伸时液体会出现小的气泡，气泡在压缩时会破裂）有关。与用光动力疗法治疗癌症相比，声动力疗法有更的穿透能力（约10cm）。传统的声敏感分子的不能在肿瘤处富集并且很容易被清除，而微米/纳米颗粒则能够增强它们的治疗效果。

最近，上海交通大学附属第六人民医院的Yuanyi Zheng（通讯作者）和上海硅酸盐研究所的陈雨（通讯作者）在一篇Review里回顾了几种能够增强声动力疗法效果的微米/纳米颗粒，并且讨论了它们的毒性以及未来的发展方向。

文献链接：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/聚合物纳米复合材料运输肽核酸来抑制miRNA

图12 多孔硅/聚合物纳米复合材料的制造

肽核酸(PNA)DNA仿制品对于修改基因在病态细胞的表达有着光明的前景，因为它们中性的骨架增加了它们的稳定性、对核酸酶的抵抗能力以及对核酸目标的亲和力。PNA可以抑制miRNAs从而治疗某些疾病。但是由于PNA是中性的，很难用常用的运输带电核酸的运输工具来运输PNA。

最近，美国范德比尔特大学的 Craig L. Duvall（通讯作者）等人将PNA加载在多孔纳米硅上，并且在纳米硅的表面覆盖一层PEGDB聚合物，成功提高了PNA的治疗效果。纳米硅（表面被氧化）表面带负电，而PEGDB带正电，只需将PEGDB与纳米硅混合就能将PEGDB覆盖在纳米硅的表面上。这种纳米颗粒的制备方法简单，能加载的药物量大，为抑制miRNA和治疗其它疾病提供了一个药物运输平台。

文献链接：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学习小组CZM供稿，材料牛编辑整理。

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