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降维策略增强金属

来源：花匠小妙招时间：2024-11-05 05:55

降维策略增强金属-有机纳米光敏剂的光动力治疗疗效

2022-03-31

在光动力疗法（photodynamic therapy, PDT）过程中，光敏剂吸收光子并将能量传递给氧气和其他生物活性分子以产生活性氧 (reactive oxygen species, ROS)。PDT 的功效取决于光敏剂的溶解性和ROS 产率。卟啉和酞菁是临床上最常用的光敏剂，因为高度共轭的大环结构，它们的水溶性较差并在生理环境中有严重的聚集倾向，从而使其ROS产率和PDT疗效大幅降低。纳米技术可用以促进光敏剂在水溶液中的均匀分散并提高其生物安全性与PDT活性。

纳米金属-有机框架（nanoscale metal-organic framework, nMOF）是一类新兴的无机-有机混合型纳米材料。nMOF由金属簇构成的二级结构单元（secondary building unit, SBU）和有机配体有序配位排列组成。光敏剂可作为配体周期性地排列在nMOF三维晶体框架中，最大限度地提升了光敏剂负载的同时，还通过SBU在空间上隔离光敏剂以防止其激发态的自猝灭。近日，美国芝加哥大学林文斌教授（点击查看介绍）实验室在期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）报道了一种通过材料降维来进一步增强金属有机纳米光敏剂疗效的策略。通过调节不同的单羧酸盐封端条件，三维 (3D) nMOF可被降至二维（2D）的纳米级金属有机片层 (nanoscale metal-organic framework, nMOL)，并表现出更加良好的PDT性能。该团队假设通过改变材料维度，拥有更大比表面积的2D材料nMOL可以更好地促进光敏剂到氧气分子的能量转移和单线态氧的扩散 (1O2) ，从而增强PDT疗效。该团队通过分子动力学模拟和一系列细胞动物实验研究表明，2D的 nMOL 增强了 ROS 的产生，并且在光照条件下表现出比 nMOF 高一个数量级的细胞毒性。在三阴乳腺癌小鼠模型中，与对照组的nMOF相比，nMOL治疗组的肿瘤抑制能力提高了 49.1%，治愈率提高了 80%，转移潜力降低了 16.3 倍。本文的共同第一作者是芝加哥大学博士研究生罗韬堃、范英杰和毛建明。

图1. 金属-有机光敏材料由三维MOF到二维MOL的降维示意图

尽管Hf-MOL和Hf-MOF均是由HfCl4和H2DBP（5,15-di(p-benzoato)porphyrin）在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中进行溶剂热反应合成，但是在使用丙酸作为调节剂时，反应得到了具有二维平面蜂巢结构的Hf-MOL；而使用乙酸作为调节剂时，则得到了具有三维六方最密堆积结构的Hf-MOF。紫外可见光光谱（UV-vis）、核磁共振氢谱（1H NMR）和电感耦合等离子体质谱分析（ICP-MS）检测到Hf-MOL中，Hf与DBP与丙酸的比例为2：1：1，与二维平面结构的模型相符。

透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和动态光散射（DLS）测定进一步证实了Hf-MOL是具有二维平面蜂巢结构的、直径约为（192.8±0.7）纳米、厚度约为1.7纳米的纳米片材料。而三维结构的Hf-MOF是直径约为（201.4±0.9）纳米、厚度约为17纳米的纳米片材料。Hf-MOL和Hf-MOF的多晶衍射图谱（PXRD）符合对应结构的模拟结果，并且这两种材料都能在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中保持稳定。

图2. (a) Hf-MOL和 (b) Hf-MOF的透射电子图像。(c) Hf-MOL和 (d) Hf-MOF的原子力显微镜图像，内插高度分布图。(e) Hf-MOL和Hf-MOF在乙醇中的数均尺寸分布图。(f) Hf-MOL和Hf-MOF（浸泡在PBS 24小时之前与之后）的多晶衍射图谱。

图3. （a）分子动力学模拟氧气分布图表明Hf-MOL的配体周围具有更高的氧气分子分布。（b）配体中心5 纳米范围内的氧气数量。（c）配体氮原子周围的氧气分子径向分布函数。（d）SOSG 测试表明Hf-MOL相比Hf-MOF或H2DBP能够显著提高1O2的产生（n = 3）。**, p < 0.01; ***, p < 0.001; ****, p < 0.0001。

分子动力学（MD）模拟表明O2分子能够在金属框架内富集，并且与Hf-MOF相比，Hf-MOL在短距离内具有更高的O2数量和2倍高的径向密度分布函数。O2 的运动轨迹轨进一步揭示了O2进入孔道、与配体碰撞和扩散出孔道的动态过程。之后，该团队使用了SOSG（singlet oxygen sensor green）实验测量了 1O2 的产生量。Hf-MOL 在 15 分光照内产生的 1O2 水平是 Hf-MOF 的2.5 倍。因此，降维策略增加了光敏配体周围的氧气密度，以使 Hf-MOL 与 Hf-MOF 或游离 H2DBP相比能够产生更多的 1O2。

图4. Hf-MOL(+)和Hf-MOF(+)光治疗后的（a）CT26和（b）4T1的细胞活力（n = 6）。（c，d）不同治疗组4T1 细胞有无光照后的划痕实验分析。（e）Hf-MOL和Hf-MOF光治疗后的细胞克隆形成的代表性图片（孔板直径 = 35 mm）。（f）细胞克隆形成实验计算得到的不同治疗组的细胞存活指数（n = 3）。总光剂量为（a-d）30 J/cm2 和（e, f）18 J/cm2 （630 nm）。*, p < 0.05; **，p < 0.01。

随后该团队测试了Hf-MOL，Hf-MOF以及其他治疗组对不同细胞的光毒性强弱。结果显示Hf-MOL在光照条件下（标记为“+”）对CT26细胞和4T1细胞的半抑制浓度（half maximal inhibitory concentration，IC50）分别为1.13 μM和2.94 μM，均远低于Hf-MOF。此外，划痕实验和细胞克隆形成实验表明Hf-MOL光照组对4T1细胞的划痕愈合和细胞迁移的抑制能力比Hf-MOF高出51倍。通过共聚焦激光扫描荧光显微镜成像（CLSM），研究团队发现Hf-MOL、Hf-MOF以及H2DBP被细胞吞噬之后主要聚集在内吞体和溶酶体中。在光照下细胞内Hf-MOL比Hf-MOF产生了更多的ROS，并引发了更加强烈的钙网蛋白（CRT）膜转移和细胞凋亡。这些体外实验证明了2D 的Hf-MOL的PDT性能远远好于3D的 Hf-MOF。

图5. （a）H2DBP，Hf-MOF，Hf-MOL（DBP自身为红色荧光）在CT26细胞中与溶酶体的共定位。（b）CLSM图像显示DCF-DA试剂盒检测产生的总ROS（绿色）水平。（c）治疗后CT26 细胞的CRT 膜转移（绿色）。（d）凋亡CT26细胞的 Annexin-V（绿色）和 PI（红色）染色。在所有CLSM图像中，细胞核由Hoechst 33342（蓝色）染色。所有比例尺为 20 μm。所有实验中DBP的浓度为5 μM，总光剂量为18 J/cm2 （630 nm）。

该团队接着在BALB/c小鼠结直肠肿瘤模型（subcutaneous CT26）和原位三阴乳腺癌模型（orthotopic 4T1）上验证了Hf-MOL的PDT疗效。在这两种模型上，Hf-MOL光照组均表现出了优异的抑瘤效果（肿瘤抑制指数TGI>98.3%），并且分别治愈了组内40%和80%的小鼠。Hf-MOL光照治疗组的肿瘤样本切片的H&E染色与TUNEL染色表现出更稀疏的细胞核密度和更多的 DNA 碎片。此外，Hf-MOL光照组还显著抑制了4T1肿瘤的肺转移。

图6. 不同治疗组的皮下CT26 荷瘤（a）和原位 4T1 荷瘤（b）BALB/c 小鼠的肿瘤体积曲线。（n = 5，黑色箭头表示给药时间点，红色箭头表示630 nm光照的时间点）。（c）CT26肿瘤的H&E与TUNEL 染色的代表性图像。（d） 4T1 荷瘤的 BALB/c 小鼠在PDT 治疗后肺部转移的代表性图像（黑色箭头表示转移性结节）。（e）原位 4T1模型中不同治疗组肺转移结节的统计分析 (n = 5)。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***，p < 0.001。

综上所述，该团队揭示了一种通过材料降维来大幅增强金属有机纳米光敏剂PDT功效的策略。通过调整单羧酸盐调节剂的配位强度，该团队成功地合成了基于 M12-SBUs 和 DBP 配体的 M-DBP nMOF 和 nMOL（M=Zr 和 Hf）。MD 模拟和实验研究表明，nMOL增强了 ROS 的产生，并且表现出比 nMOF 高一个数量级以上的细胞毒性。因此，nMOL在 PDT 中的表现显着优于 nMOF，并在小鼠模型中促进肿瘤消退、提高治愈率和减少转移。降维策略有望可以推广到其他用于 PDT 的纳米光敏剂的设计上。

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Dimensional Reduction Enhances Photodynamic Therapy of Metal–Organic Nanophotosensitizers

Taokun Luo, Yingjie Fan, Jianming Mao, Eric Yuan, Eric You, Ziwan Xu, and Wenbin Lin*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c00384

团队（通讯作者）简介

林文斌教授于 1994 年在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学系获博士学位。1994 至 1997 年在美国西北大学从事博士后研究。1997 年至 2001 年在美国布兰迪斯大学化学系任助理教授。2001 年到 2013 年任职于美国北卡罗来纳大学教堂山分校，并于 2011 年被聘为 Kenan 杰出教授。2013 年起担任美国芝加哥大学化学系 James Frank 教授席位。系中国科学院海外顾问组成员，香港研究资助委员会自然科学部委员(2012-2013 年度兼任主席)，美国国立卫生研究院 NANO Study Section 常务会员。2011 年入选美国科学促进会会士(AAAS fellow)。

林文斌教授所领导的研究团队是国际上最早进行理性设计合成金属－有机框架材料的团队之一，主要研究领域为功能材料、手性催化、光催化、纳米医学及化学药物设计等。林文斌教授研究组在 2005 年首次成功开发出有高手性选择性的金属有机框架化合物不对称催化剂，同时在利用金属有机框化合物发展非线性光学材料及人工光合作用方面的研究走在国际前列，所发展的具有二阶非线性光学性质的金属有机材料是是最早进行晶体工程方法控制金属有机化合物的尝试之一。近年来，林文斌教授团队创造性地开发了多种基于金属有机框架纳米粒子的生物可降解性、高药物载量以及分子可调控性的新型纳米抗癌药物并率先报导了局部纳米药物递送用于局部免疫激活与系统性免疫治疗相结合的癌症治疗新思路。为了推动相关产品的临床转化，林文斌教授创立了名为 Coordination Pharmaceuticals 的生物医药公司（http://www.coordinationpharma.com ），目前已有四种药物开始临床 I 期研究。

林文斌教授目前已在包括 Nat. Chem., Nat. Biomed. Eng., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed 等世界顶级杂志上发表近 400 篇文章，文章被引用超过 64,000 次 (h-index ≥122) ，同时他还担任多本著名杂志的顾问，比如 Chem. Sci., Chem. Mater., ACS Catal, Inorganic Chemistry Frontiers 和Asian J. Org. Chem.等，林文斌教授在科研工作中取得的卓越成就，使其于 2009 年入选由发表文章影响因子确定的 1999-2009 年度全球“ 十大化学家”(“Top ten chemists”，by Thomson Reuters)。

林文斌

http://www.x-mol.com/university/faculty/1445

课题组链接

http://linlab.uchicago.edu/index.html

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Dimensional Reduction of Metal–Organic Frameworks for Enhanced Cryopreservation of Red Blood Cells

Angewandte Chemie International Edition (IF 16.1) Pub Date : 2023-03-29 ,DOI:10.1002/anie.202217374

Qi Lei, Yaqian Sun, Junda Huang, Wei Liu, Xiaolong Zhan, Wenxiang Yin, Sishi Guo, Anna Sinelshchikova, C. Jeffrey Brinker, Zhiyuan He, Jimin Guo, Stefan Wuttke, Wei Zhu