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多刺激响应环糊精超分子组装体的研究进展

作者：X-MOL 2019-05-13

环糊精是从淀粉的酶促降解中提取的一类环状低聚多糖，它是由D-吡喃葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键首尾键连而形成的。根据葡萄糖单元个数的不同，可以把环糊精分为α-，β-，γ-环糊精，其分别对应6、7、8个葡萄糖单元。在过去120多年的发展过程中，环糊精广泛应用于化工、医药、生物等多个领域。与此同时，在学术研究方面，环糊精作为第二代大环主体分子由于在溶液和固态条件下对各种有机和生物活性底物具有十分优异的分子键合能力，因此基于环糊精的分子识别和组装在过去几十年中已经成为超分子化学领域关注的焦点。此外，通过环糊精的自组装还能够衍生出多种具有独特拓扑结构的微纳米结构，如索烃、（准）轮烷、超分子聚合物、交联水凝胶、功能化纳米粒子等，极大地扩展了超分子化学的研究范畴。

刺激响应型纳米材料可以动态感应外界微环境变化，从而提供一种有效的方法来模拟自然和生理过程，并使我们进一步利用该策略制造出智能医学和仿生纳米材料。此外，选择在生命系统常见的理想刺激响应模型还需要考虑一些因素，如生物相容性、预期作用位点和生物安全性等问题。如果从这些因素考虑的话，生物相容性好且降解产物能被人体代谢的环糊精被认为是构建刺激响应型超分子组装体最为理想的分子之一，同时基于非共价相互作用的动态可逆性质，环糊精单元在客体分子的结合上表现出良好的尺寸-形状匹配效应。因此，基于环糊精的刺激响应型超分子纳米体系在构建智能生物功能材料上大有可为。

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近日，南开大学的刘育教授（点击查看介绍）团队总结了关于多刺激响应环糊精超分子组装体的研究进展。在这篇综述文章中，作者详细介绍了受pH、氧化还原、酶、光、磁场等环境因素响应的环糊精超分子纳米组装体，并讨论了环糊精智能生物功能材料的应用前景以及所面临的挑战，给出了相关的见解和建议，并期望这些纳米材料能够在生物医学领域更好地实现转化和发展。

细胞间室、体液和器官都具备特有的pH，并能维持其酸碱平衡，使得人们能够构建pH敏感的超分子组件来精确定位于作用位点。基于此，作者首先介绍了含有环糊精的pH响应型纳米超分子组装体，常见的策略有：（1）利用顺式乌头基、腙基、肟基、缩醛基以及组氨酸和咪唑基等许多酸性条件下不稳定的取代基来构建pH敏感纳米体系；（2）在环糊精骨架中引入可质子化氮原子；（3）通过pK_a调控优化具有生物活性的环糊精超分子组装体等。另外，由于细胞内外环境中的电荷密度和氧化还原态电势不同，因此研究含有氧化还原敏感基团的生物相容性纳米结构具有非常重要的意义。因此，作者接着介绍了含有二茂铁基和二硫键的氧化还原型环糊精超分子组装体。一方面，环糊精作为一种淀粉酶解产物，其生产制备条件与环糊精糖基转移酶密切相关；另一方面，环糊精固有的疏水空腔长期以来一直用作模仿天然酶活性的理想模型。基于此，作者还介绍了含有环糊精的酶响应型超分子组装。由于光刺激是一种非侵入性和环保的响应方式，光响应超分子组装体在治疗许多重大的疾病方面具有良好的应用前景。因此作者着重介绍了由偶氮、二芳基乙烯和其它光活性基团构筑的光响应型环糊精超分子组装体。最后，作者还介绍了基于环糊精的磁响应型超分子组装体。

在这篇综述文章中，作者总结了近三年来基于环糊精的刺激响应型超分子组装体的研究进展，并选择了一些具有代表性的例子介绍其相关生物学功能。这些超分子组装体的潜在生物学应用已经在生物传感、药物递送释放、细胞内（间）信号传导、疾病的诊断和治疗等方面崭露头角。作者认为，尽管该领域目前取得了长足的进步，但要掌握结构-活性关系并促进其实际应用仍需要大量的努力，作者认为以下几点是需要重点关注的问题：（1）除了主要的单和多取代β-环糊精之外，在扩展其它类型环糊精的使用方面仍存在巨大的挑战，并且用于区域选择性修饰环糊精骨架的合成方法也相当有限；（2）单价的环糊精-药物溶解和递送体系已不符合个性化精准医学的高标准。此外，在环糊精化学中常用的客体分子如金刚烷和偶氮苯等，生物医学功能还有待进一步研究；（3）基于环糊精的超分子组装体的生物学功能目前主要集中在癌症研究上，而对一些诸如心脑血管疾病等重要急慢性病的治疗研究还相对较少；（4）目前可用的超分子纳米结构在材料和成本方面还存在过度设计和浪费的现象，因此迫切需要简化和优化基于环糊精超分子组装体的结构组成；（5）在这些刺激响应型组装体中，氧化还原和pH值的变化通常会在体内产生化学废料，因此大力开发光、磁等远程和非接触性响应的超分子组装体具有更大的研究价值和应用前景。

刘育教授研究团队近年来在构筑刺激响应型纳米超分子组装体及探究其应用方面取得了一系列研究成果，其中包括J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 1280；Sci. Adv., 2018, 4, eaat279；Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12519；Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 8649；J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7168；Adv. Mater., 2017, 29, 1605271；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7062；Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 11452；Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9376；J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4543。该综述论文作者为张瀛溟副教授、刘耀华博士研究生、刘育教授。