顶刊动态 | Nature子刊/Nano Lett. 等生物材料最新学术进展汇总【第19期】

本期精选预览：Adv. Funct. Mater. 具有动力自强化的石墨基薄片用于仿生人工肌肉；Angew. Chem. Int. Ed. 高度稳定的发光Zn5团簇应用于生物成像；Nano Lett. 同型癌细胞膜包覆纳米颗粒的倾向性癌细胞自我识别和肿瘤自我靶向能力；Angew. Chem. Int. Ed. 可用于荧光共振能量转移分析和双光子激发光动力治疗的多层微囊剂；Adv. Funct. Mater. 剪刀状超分子用来检测细胞间端粒酶的活性；Nat. Commun. 核壳结构纳米尺度配位聚合物利用化疗和光动力学疗法协同加强检查点阻断免疫治疗；Adv. Funct. Mater. 牡蛎粘合剂的成分和结构揭示生物复合物在材料性质上的异质性；Nat. Nanotech.  趋磁趋氧型细菌向肿瘤乏氧区域传递药物负载的纳米脂质体。

1、Adv. Funct. Mater. 具有动力自强化的石墨基薄片用于仿生人工肌肉

图1 氧化石墨烯（GO）的结构特点和自强化表现

肌肉是一种被复杂机制驱动的自适应材料，外界刺激下分层结构组织重新取向使肌肉细胞能承受更强的作用力。研究者一直致力于研究把这种优异的性能复制到人工肌肉上，但是由于缺少结构的复杂性，它们承受外力后很容易损坏。

近日，来自国家纳米科学中心的刘璐琪研究员（通讯作者）和张忠研究员（通讯作者）以及清华大学的徐志平副研究员（通讯作者）等人发现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%）张力下将刚度提高84%。这是由于在外力作用下，石墨烯薄片重新取向并进一步发生夹层间的粘合具有了自强化的特性。这一发现对于生物力学的应用有着重要意义。

文献链接：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. 高度稳定的发光Zn5团簇应用于生物成像

图2 a) Zn5团簇图解 b)原位生成的配体H2L-与Zn的合成

近年来，协调团簇的合成以及它们优美的结构和丰富的功能引起了研究者们极大的兴趣。为了得到具有理想性能的协调团簇，需要对它们的形成机制有更好的了解。但是由于机制的复杂性，众多科学家在这方面停滞不前。

近日，来自广西师范大学的曾明华教授（通讯作者）和华东理工大学的黄瑾（通讯作者）等人使用水和甲醇的混合熔热剂反应把原位脱水的H4L配合到H3L，诱发形成了多核的团簇，并弄清了Zn5团簇原位配合转变和聚集的机制。这种团簇从可见光到近红外都对PH具有敏感性，可以作为荧光探针在检测肿瘤中得到极大的应用。

文献链接：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. 同型癌细胞膜包覆纳米颗粒的倾向性癌细胞自我识别和肿瘤自我靶向能力

图3 癌症细胞膜包覆的磁性纳米颗粒以及选择性癌症细胞自我识别、自我靶向

癌症诊断和治疗的终极目标是实现对癌症细胞的高效特异性靶向。目前，肿瘤特异性药物载体的尺寸大多在纳米尺度范围内，这样更有利于肿瘤组织增强透过和滞留效应（EPR）产生的被动靶向行为。另一方面，材料与特定配体的结合还能实现肿瘤的主动靶向。然而，复杂的肿瘤环境和材料化学原理使得当前的靶向方法还未能满足人们的医疗需求。

武汉大学的冯俊教授（通讯作者）团队利用仿生学思想研究了不同种类癌症细胞膜（CCCM）包覆的磁性氧化铁纳米载体平台（MNPs）。研究人员首次实现了CCCM仿生伪装的MNPs对体外源细胞系的高效特异性自我识别以及对体内同类肿瘤的自我识别“归航”能力。不仅如此，药物负载的此类仿生平台也在活体实验中表现出优异的肿瘤治疗能力。

文献链接：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. 可用于荧光共振能量转移分析和双光子激发光动力治疗的多层微囊剂

图4 可用于FRET分析和双光子激发PDT的多层微囊剂的示意图

荧光共振能量转移（FRET）是描述两个光敏分子间能量转移的一种机制。近年来，FRET的应用拓展到癌症研究领域，例如光动力治疗（PDT）。双光子激发PDT比传统的单光子PDT具有更多优势，然而双光子激发PDT系统必须被精心设计，而且FRET的过程和效率很难控制。通过叠层组装得到的微囊剂，由于其组分多样性、多结合位点和可控的壁厚，为生物分析提供了一个良好的平台。

南京工业大学的韩明娟副教授（通讯作者）和中国科学院化学研究所的李峻柏研究员（通讯作者）等人通过叠层组装得到了包含双光子染料与传统光敏剂的微囊剂。研究显示，FRET发生在双光子染料和光敏剂之间。通过改变组装顺序可以很容易地控制FRET的效率。此外，该微囊剂在单光子或双光子激发下表现出光毒性。因此，这种微囊剂材料还有望在双光子激发PDT中用于深度组织处理。

文献链接：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. 剪刀状超分子用来检测细胞间端粒酶的活性

图5 传感器的结构及其被端粒酶破坏的示意图

端粒酶在大部分的癌细胞中都会过度表达，是检测癌症的一种重要的标记物，但是目前还没有有效的手段来检测它。

最近，江南大学食品科学与技术国家重点实验室的Hua Kuang（通讯作者）等人设计了一种DNA驱动的金纳米颗粒异质二聚体来检测细胞间的端粒酶。这种探针由两个不同半径的金纳米颗粒通过DNA链接，形状像剪刀。这种不对称的二聚体会产生圆二色性响应（CD），但是当端粒酶存在时，二聚体被破坏，CD信号强度降低，由此可以检测到端粒酶。这种策略为利用手性电浆传感器检测细胞间的生物标记物开辟了道路。

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

6、Nat. Commun. 核壳结构纳米尺度配位聚合物利用化疗和光动力学疗法协同加强检查点阻断免疫治疗

图6 NCP@pyrolipid的制备与表征

晚期结直肠癌是最致命的癌症之一，肿瘤转移之后的病人的5年存活率只有12%。检查点抑制剂目前是针对晚期结肠癌病人最有前景的免疫治疗手段，但是它们的持久应答率（durable response rate）依然很低。

芝加哥大学的林文斌教授（通讯作者）课题组的研究人员报道了利用免疫原性纳米颗粒来提高PD-L1抗体介导癌症免疫治疗的抗癌功效。研究人员将抗癌药物引入纳米尺度配位聚合物（NCP）作为内核，而非对称的脂质自组装成外壳，这样构成的核壳结构纳米颗粒（NCP@pyrolipid）同时具有化学治疗和光动力学治疗的能力。颗粒外壳中的感光型脂质体能够引发光动力学疗法，并且协同内核中的抗癌药物杀死肿瘤细胞，同时提高免疫应答能力。

文献链接：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. 牡蛎粘合剂的成分和结构揭示生物复合物在材料性质上的异质性

图7 粘合剂-壳界面的背散射电镜图

牡蛎通过分泌一种能够在水下凝固的粘合剂来粘附在其它的牡蛎上，许多牡蛎以这样的方式聚集在一起就形成礁，礁可以通过过滤海水、留住淤泥以及吸收海浪的能量来维持海岸的生态系统，但是我们对这些粘合剂的成分和结构的了解还处在初始阶段。

最近，科尔盖特大学的Rebecca A. Metzler（通讯作者）等人利用多种表征手段来研究这种粘合剂的成分和结构，发现粘合剂是由碳酸钙和二氧化硅杂乱分散在母体中组成的，其中的二氧化硅是从环境中获得的，意味着粘合剂是在一个开放的环境中形成的，加入二氧化硅可以增加强度，同时又使粘合剂保持灵活性。

文献链接：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.  趋磁趋氧型细菌向肿瘤乏氧区域传递药物负载的纳米脂质体

图8 趋磁趋氧型细菌MC-1细胞优先定位在异体移植乏氧区域

肿瘤细胞的快速增殖会消耗大量的氧气从而导致肿瘤乏氧区域的出现。目前的一些药物纳米载体诸如脂质体、胶束等因为受制于体内系统循环，很难到达这些乏氧区域展开治疗。如今学者们希望通过加强药物载体的肿瘤渗透能力以及基于感应的位移能力来实现对乏氧区的靶向。纳米机器人可以解决上述问题，然而其自身的尺度却阻碍了与纳米载体的整合。因此，学者们开始考虑利用自然纳米机器人实际实现靶向功能。

蒙特利尔综合理工学院的S. Martel（通讯作者）等学者利用趋磁细菌在磁场中的迁移行为来运输药物负载的纳米脂质体。这种细菌利用自身的双态趋氧感应系统能够实现对低氧区域的高效迁移和停驻。这些研究人员将这种负载纳米治疗试剂的细菌注射入小鼠体内，发现有55%的细菌成功渗透进入结直肠肿瘤乏氧区。此项研究中的成果不仅动摇了传统的治疗理念，还为加强现有的纳米治疗效果提供了新的可能。

文献链接：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学习小组陈世雄、鲁健、李伦、贺曦、陈昭铭供稿，材料牛编辑整理。

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