Nat. Commun.：王浩课题组在“活体自组装”纳米材料构建方面取得重要进展

在生命体中，生物拓扑结构扮演着重要的角色，对活体器官、组织和细胞的功能具有重要的影响。例如，不同结构的DNA、具有特定三维结构的蛋白大分子以及各种传导信号的分子复合体等影响着细胞的各种响应。另外，各国的研究人员也发现，人工合成材料的界面拓扑结构可以诱导干细胞分化、影响细胞的迁移等功能。因此，在生物医用材料的发展及应用过程中，深入探究材料的拓扑结构与生物功能之间的关系显得尤为重要，同时也将为功能化纳米材料的设计提供指导。目前，纳米材料在生物医学领域的应用已得到广泛的研究和认可，例如在成像及药物递送等方面均得到深入的研究。但是，纳米材料的拓扑结构在生物体内，尤其是进入细胞内后对生物功能的影响往往被忽略。

近日，在中国科学院国家纳米科学中心王浩研究员的指导下，李莉莉副研究员和乔圣林博士基于前期发展的“活体自组装”技术，通过全新的细胞内原位聚合产生具有不同温敏性质的多肽聚合物，在细胞内成功构建了不同拓扑结构的纳米材料，并进一步研究不同纳米材料对生物功能的影响，为功能性纳米材料的设计提供了新的思路。相关研究成果发表在Nature Communications 上，该工作已申请中国发明专利（申请专利号：201610408076.7）。

图1. 细胞内原位聚合和组装技术构筑不同拓扑结构的纳米材料，并评价其生物功能。图片来源：Nat. Commun.

受生物体内多肽侧链可以发生酶催化偶联的启发，王浩研究员等人设计了具有不同聚合反应位点个数的多肽单体。聚合反应位点个数是在细胞内构筑不同拓扑结构的基础之一。另外，多肽的序列直接影响聚合后多肽聚合物的温敏性质，这也是细胞内不同拓扑结构构筑的另一个重要的影响因素。作者使用质谱分析、高效液相色谱分析手段对多肽单体进行了表征，进一步研究了这些多肽单体在胞外溶液环境中的聚合，并通过GPC考察了多肽聚合物的分子量、紫外-可见光谱研究其温敏性质、SEM及激光共聚焦显微镜研究多肽聚合物在生理温度37 ℃下的拓扑结构。

图2. 胞外溶液中聚合形成的多肽聚合温敏性质及拓扑结构的表征。图片来源：Nat. Commun.

作者设计的多肽单体通过自由扩散的方式进入细胞，并在胞内谷氨酰胺转移酶的催化下发生聚合。他们通过对多肽单体标记荧光分子，并利用FRET实验证明了多肽单体在细胞内聚合反应的发生。极性敏感基团的引入保证了通过荧光方法观察到塌缩后的不同拓扑结构。另外，他们还通过金属螯合提高材料与生物背底的对比度，利用生物透射电镜及能谱分析观察并验证了复杂生物环境下形成的不同拓扑结构。

图3. 多肽单体胞内聚合及不同拓扑结构材料的形成。图片来源：Nat. Commun.

多肽聚合物的形成快慢以及聚集塌缩的行为会极大影响材料在生物复杂环境下的性质。借助温敏聚合物相变聚集后发生沉淀的特点，研究人员从细胞中获得多肽聚合物，并实时跟踪了多肽聚合物链的增长，通过激光共聚焦实时观察不同多肽聚合物的塌缩聚集过程。实验结果表明，多肽单体在细胞内可以较为快速地发生聚合。聚肽的稳定性提高保证了多肽在细胞内的蓄积，提高了多肽的利用度。另外，多肽聚合物可以在短时间内塌缩聚集，避免与胞内其他生物结构相互作用。实验发现，一维线性材料可以较快地代谢清除，而三维材料（纳米颗粒或体相聚肽）受尺度效应影响，聚集塌缩后可以很好地富集在细胞内部。这种“由小变大“的创新策略可以有效地改变生物材料在生物体内的分布及性能，在肿瘤成像与治疗方面具有广阔的应用前景。

图4. 聚合动力学及温敏多肽聚合物塌缩聚集过程的研究。图片来源：Nat. Commun.

最后，研究人员考察了不同拓扑结构材料对生物功能的影响。研究发现胞内原位构筑的一维线性材料及三维纳米颗粒具有较好的生物相容性，而三维体相材料会对细胞造成损伤。而且，对于可以发生塌缩的三维体相材料，多维度的拉拽造成对细胞骨架更为剧烈的破坏，也更快地造成细胞的凋亡。根据不同拓扑结构材料不同的性质，实验人员对纳米颗粒进行近红外荧光分子标记，改善了成像效果；三维体相材料可以用作”drug-free“的药物，实现对肿瘤高效低毒的治疗。

图5. 材料拓扑结构与生物功能之间关系的研究。图片来源：Nat. Commun.

——总结——

王浩研究团队新发展的细胞内原位聚合和组装的方法首次实现了细胞内平行构筑不同拓扑结构的纳米材料，为研究结构和功能的关系提供了有效手段。通过设计不同氨基酸序列的多肽聚合单体，他们实现了在胞内聚合过程中对聚合物的分子量大小、温敏性质以及组装后的拓扑结构进行调控；同时，他们通过细胞和组织水平原位证实了多肽单体的聚合和组装过程；最后，作者综合评价了不同拓扑结构纳米组装体的生物功能（包括滞留效应和细胞毒性），为功能化纳米材料设计提供了参考。

该论文作者为：Li-Li Li, Sheng-Lin Qiao, Wei-Jiao Liu, Yang Ma, Dong Wan, Jie Pan & Hao Wang

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Intracellular construction of topology-controlled polypeptide nanostructures with diverse biological functions

Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01296-8

团队主要成员简介：

1. 王浩，研究员，杰青，中国科学院“百人计划”研究员，博士生导师；2005年在南开大学获得博士学位，随后在德国维尔茨堡大学作为洪堡研究员从事染料分子的自组装及其光学行为的研究；2007-2011年在美国加州大学洛杉矶分校医学院Crump分子成像研究所（Crump Institute for Molecular Imaging）和加州纳米系统研究中心（California NanoSystems Institute）从事纳米技术在癌症诊断与治疗方面的研究；利用“活体自组装”纳米技术发展新型的生物医用材料，并用于疾病的诊疗；2011年加入国家纳米科学中心、中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室；2017年获“国家杰出青年科学基金”资助；到目前为止，发表文章100余篇、参编专著2部、授权专利2项。

2. 李莉莉，副研究员，2012年博士毕业于北京化工大学，2012-2015年在国家纳米科学中心从事博士后研究，2015年留任做助理研究员，2017年晋升为副研究员；主要研究方向为超分子纳米材料的设计制备及重大疾病诊疗的应用，围绕体外和体内的超分子可控组装、性能研究以及在肿瘤或感染方面的成像和治疗展开特色研究；近年来，共发表文章27篇，包括Nat. Commun.、Adv. Mater. 和ACS Nano 等；申请国内发明专利两项、国际专利一项、授权一项；以负责人承担科研项目5项，包括自然基金面上、青年等，骨干参与973项目、国际合作项目等6项；2015年度获得国家纳米科学中心主任一等奖和中心纳米青年之星的荣誉称号，2017年成为中国科学院青年促进会成员；研发的抗菌涂层材料应用于陕西省科技统筹创新工程计划资源主导型产业关键技术项目中，为纳米抗菌涂层材料在成果转化方面进行了初步探索。

3. 乔圣林博士，2013年加入国家纳米科学中心王浩研究员课题组，从事活体自组装温敏聚合物及其在疾病诊疗中的应用研究；获2013年中国科学院大学生奖学金，硕博期间多次获得中心主任奖学金，2017年获得研究生国家奖学金；参与科研项目5项，包括国家自然科学基金面上、青年项目，973项目、国际合作项目等；多次参加国际国内学术会议，并做口头报告；到目前为止，以第一作者或者共同作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、ACS Nano、Biomaterials 和ACS AMI 等高水平国际期刊上发表论文19篇；参编专著一个章节；申请国内发明专利五项、国际专利一项。