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让小液滴悬浮,做“无容器”反应

副标题:声镊-质谱新技术阐释过氧化破坏膜结构微观机理


有什么办法可以让水滴、串珠甚至活着的小虫子毫发无损地悬浮起来?魔法世界里可以像哈利波特那样施一个“漂浮咒”,现实世界里就要想其他办法了。先来看一段视频:

视频来源:南开大学张新星课题组


你没看错,这也不是魔术。这是南开大学化学学院的张新星课题组采用声镊技术搭建的声悬浮(acoustic levitation, AL)装置。就像视频中那样,这种声悬浮装置能囚禁加湿器产生的水雾并凝聚成悬浮水滴,大小不一的串珠(图1左)以及张牙舞爪的小虫子(图1右),也都可以“漂”在空中。无需高压、强磁场、真空,悬浮样品随意取放,便携、操作简单且安全,甚至可以在家庭和中小学作为科普教具使用

图1. 声镊装置悬浮串珠(左)和活虫(右)。图片来源:南开大学张新星课题组


这种声镊装置的“秘密”,就在上下两个碗状的超声波换能器阵列中(图2A、B)。超声波换能器,即超声波发生器,网上一搜一大堆,最常见的应用是号称“狗见愁”的驱狗器,怕狗人士的必备。这种声镊装置使用的是普通市售的超声波换能器,发出40 kHz频率的超声波,重点在于每个换能器的相对位置都经过严格的数学模拟所确定,经过编程所有换能器发出完全一样的声波,以确保声波通过干涉在轴向形成单轴驻波(图2C)。

图2. 声镊装置实物和原理图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


显然,设计这种声镊装置并不是为了好玩,张新星课题组希望用它来操控物体,进行更多此前难以进行的研究。提到声镊,估计不少读者会想到著名的光镊。2018年的诺贝尔物理学奖的一半颁给了光镊技术的发明者阿瑟•阿什金。光镊技术运用“激光之力”操控物体,如细菌、细胞甚至是DNA等,已经在生物学领域实现了广泛的应用。但正如英国布里斯托大学教授Bruce Drinkwater所说,“光镊是一种美好的技术,但总是有点危险,几乎要杀死被移动的细胞。”相比之下,达到相同的操纵效果,声音对生物体系的损害要小得多,几可忽略不计,声镊技术将更有希望应用于生物和医药领域。此外,与另一种著名的悬浮技术——磁悬浮相比,声悬浮对被悬浮物体的材质或磁性并不挑剔


基于此,张新星课题组近日联合加州理工学院Beauchamp教授课题组使用自行开发的声镊-场致液滴电离质谱(AL-FIDI-MS)技术,以全新的视角研究了光动力疗法在分子层面的反应机理。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,第一作者、第二作者分别为南开大学化学学院博士研究生慕超男和硕士研究生汪杰


癌症的光动力疗法在临床上已经得到了广泛的应用,尽管人们对其基本作用机理的认识相对成熟,但对其作用的分子机制其实了解甚少,比如光敏剂产生的单线态氧和底物分子(比如不饱和磷脂)之间的反应在分子水平上的细节和结果至今仍并不清楚。该研究团队另辟蹊径,结合声镊和场致液滴电离质谱技术来研究光动力疗法中脂氧化的分子机理。其中,声镊装置使得液滴悬浮,成为“无容器”的反应器,以完全排除容器壁接触带来的干扰。

图3. AL-FIDI-MS实验装置图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


如图3所示,FIDI-MS的两个电极与声镊装置联用,其中一电极为高压脉冲电极,另一电极为接地质谱仪入口。在触发瞬时脉冲电压之后,被悬浮在两个电极间的液滴会被撕扯成纺锤状,形成双向“泰勒锥(Taylor cone)”,进入质谱被检测(图3C)。由于泰勒锥释放的微小液滴是由原液滴表面撕扯出来,因此该技术具有高达1到10万倍的气液界面选择性。值得一提的是,图3C的双向泰勒锥由华为手机Mate 10 Pro的慢速摄影模式拍得(咳咳……华为市场团队,如果看到本文请主动联系X-MOL交一下广告费……


具体实验中,该研究团队以最常见的temoporfin作为光敏剂,研究了18:1心磷脂(CL)和POPG磷脂的过氧化反应。在气液界面处,亲脂性的temoporfin倾向于聚集在疏水相,650 nm波长的红光(就是我们平常生活中所用的红色激光笔)照射下(图3B),光敏剂所产生的单线态氧攻击18:1心磷脂或POPG的疏水端油基链上的双键。质谱检测到带有四个不饱和链的18:1心磷脂的氧化产物CL(OOH)1-42-和POPG的氧化产物POPG(OOH)-。通过检测CL和POPG的氧化产物碰撞解离碎片发现,CL和POPG的每条不饱和脂肪酸链分别只被氧化一次(图4)。

图4. CL和POPG氧化产物的质谱学分析。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


单线态氧攻击和氧化碳长链中不饱和双键生成过氧化物的机理已被大家熟知(图5A),那为什么单线态氧没有继续氧化带有-OOH基团的不饱和碳链,也就是说,为什么每条链只被氧化一次呢?作者们给出了很好的解释:氧化反应发生在疏水区域,而发生氧化后,碳长链上带有的氢化过氧基团(OOH)将会显著增加碳链的亲水性,强行将其“拽离”氧化的“主战场”(疏水区域),将其“拖至”水相部分,与水分子形成氢键,从而导致其避免进一步被氧化(图5B)。而这一行为将会扰乱磷脂排列,最终导致细胞膜的渗漏甚至细胞的死亡。这一解释在其他研究者们的分子动力学模拟计算结果中也有提出,而该研究团队则首次直接运用实验手段在分子层面上直接进行了证明,意义重大。

图5. 界面磷脂过氧化的分子机理。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


综上所述,张新星课题组与Beauchamp教授课题组结合声镊和场致液滴电离质谱技术,以全新的视角研究了光动力疗法在分子层面的反应机理。他们发现,光敏剂产生的单线态氧和带有多条不饱和链的磷脂底物分子反应,只会将每条不饱和脂肪酸链分别只氧化一次,且产生的带有-OOH基团的不饱和碳链不会被继续氧化。这是由于-OOH导致链的亲水性显著增加,被“拖至”水相,增加膜渗透性并最终引发癌细胞死亡。声镊技术在本项工作中发挥了显著的作用,也有潜力应用于更多研究领域


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Mass Spectrometric Study of Acoustically Levitated Droplet Illuminates Molecular-Level Mechanism of Photodynamic Therapy for Cancer involving Lipid Oxidation

Chaonan Mu, Jie Wang, Kevin M. Barraza, Xinxing Zhang, J.L. Beauchamp

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201902815


导师简介


张新星,南开大学化学学院博士生导师,主要研究方向为界面化学在生物物理化学、大气化学中的应用,以及分子反应动力学和分子动态学。迄今为止已发表研究论文50篇,其中第一或通讯作者论文35篇。第一或通讯作者论文中包括Nat. Commun.、PNAS、JACS、Angew. Chem.、JPCL 等著名刊物。


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