Chem. Mater.┃纳米介孔MOFs孔道内级联生物反应器的定位构建及其用于细胞内活性氧的清除

英文原题： Spatially Organized Functional Bioreactors in Nanoscale Mesoporous MOFs for Cascade Scavenging of Intracellular ROS

通讯作者：顾金楼，华东理工大学

作者：Ke Li, Jian Yang, and Jinlou Gu

生命体内的区室化和级联反应是自然界中实现细胞内代谢和和高效信息交流的基本原则，该种方式能够允许中间产物在各催化单元之间的高效和定向转移。因此，在人工系统中模拟这种高效有序的纳米微环境引起了人们的极大兴趣。目前，基于多孔材料的多种生物反应器已经被开发出来，并期盼将不同酶的催化作用高效偶联起来。金属有机骨架（MOFs）高度可调的结构和可变的组成成分使其成为构建此类生物反应器的理想材料。MOFs的优势不仅在于可以对其物理结构进行设计，引入介孔结构对大分子酶进行负载，还可以改变孔壁上的化学组成，赋予其可与酶相协同的催化作用。然而，在MOFs中使用软模板作为结构导向剂自组装形成介孔的同时保持其结晶性仍然是一个挑战。这是由于在MOFs生长过程中结晶的驱动力通常非常强，因此前驱体倾向于优先结晶，而将模板剂排除在自组装过程之外，使其不能起到结构导向的作用。

针对上述问题，华东理工大学顾金楼教授团队在前期研究的基础上，开发了一种Hofmeister离子介导的软模板自组装策略，实现了介孔MOFs的可控合成，并在此基础上对MOFs的微介孔结构进行分级功能化，成功构建了纳米级偶联生物反应器用于细胞内活性氧的清除。如图1所示，作者采用UiO-66型MOF作为基体，F127作为模板剂，ClO₄^-作为盐溶离子，合成了孔径约为7 nm的纳米介孔MOFs。同时，得益于Zr₆团簇配位方式的多样性，具有过氧化氢酶（CAT）活性的锰卟啉分子可作为配体引入到骨架中，与介孔内负载的天然超氧化物歧化酶（SOD）协同作用构成级联抗氧化系统用于细胞内活性氧（ROS）的高效清除。

图1. 在介孔MOFs中构建空间分级功能化的生物反应器以清除细胞内活性氧的示意图。

该研究团队首先通过调控反应体系的参数，揭示了该自组装策略的主要影响因素。首先，作为一种Hofmeister盐溶离子，ClO₄^-在本体系介孔的形成过程起着关键作用。ClO₄^-的作用在于增强MOFs前驱体于共聚物胶束之间的相互作用，从而阻止自组装系统中共聚物胶束和MOFs前驱体的相分离。在没有ClO₄^-的情况下只能获得没有介孔的UiO-66-NH₂。其次，调节剂的用量是控制纳米颗粒介孔结构和形貌的关键因素。一系列的对照实验表明，当调节剂的量较少时，所获得的纳米粒子较小，但是产物的结晶度较低。当调节剂的加入量过多，颗粒形状将变得不规则，且尺寸增大，不利于后续实验中细胞的内吞。

作者使用扫描电镜、透射电镜、氮气吸附测试和扫描透射电子显微镜等手段对材料进行了详细的表征。结果表明该材料介孔尺寸约为7.4 nm，粒径约100 nm（图2），且在掺杂卟啉配体之后形貌及结构没有发生明显的变化（图3）。

图2. HMUiO-66-NH₂的典型SEM（a）和TEM（b）图像。（c） HMUiO-66-NH₂、HMUiO-MnTCPP和模拟UiO-66的XRD图谱。（d） HMUiO-66-NH₂（红色）和HMUiO-MnTCPP（蓝色）的N₂吸附等温线及其相应的BJH孔径分布。

图3. HMUiO-MnTCPP的典型SEM（a）和TEM（b，c）图像。（d）合成的HMUiO-MnTCPP的Mn，N，Zr，O，C的STEM图和元素分布图。

体外实验结果表明该介孔MOFs作为载体可对负载的SOD提供良好的保护作用。在缓冲液中浸泡一段时间后，相比于游离的SOD，SOD@HMUiO-MnTCPP仍然具有较高的O₂^-抑制活性（图4a，b）。同时，掺杂的Mn-TCPP配体赋予了HMUiO-MnTCPP类CAT活性，可将SOD催化O₂^-产生的H₂O₂进一步分解为H₂O和O₂（图4c，d）。

图4. HMUiO MOFs的（a，b）SOD活性和（c，d）CAT活性。

随后，该团队采用百草枯（PQ）作为氧化应激源来刺激HeLa细胞内ROS的过表达，以此为模型检测该抗氧化系统对细胞的保护能力。如图5a和5b所示，SOD@HMUiO-MnTCPP对细胞活力的影响与剂量呈正相关。同时，与未处理细胞相比，HMUiO-MnTCPP和游离SOD处理组的细胞存活率仅略有增加。表明了SOD@HMUiO-MnTCPP中天然SOD和模拟CAT酶对ROS清除的协同作用，使该纳米系统具有更显著的抗氧化保护水平。为进一步监测不同MOFs处理后细胞中ROS的含量，采用2’，7’-二氯荧光素二乙酸（DCFH-DA）法进行测试。经PQ预处理过的HeLa细胞可在激光共焦扫描显微镜（CLSM）成像中产生显著荧光增强，与细胞内高水平的ROS相对应（图5c）。而经SOD@HMUiO-MnTCPP预处理过的细胞内荧光明显减弱，进一步证明该系统对ROS突出的清除能力。此外，因氧化应激产生的p-p38和COX-II被选作生物标记物进一步评价该纳米体系的抗氧化能力。Western Blot结果表明，在SOD@HMUiO-MnTCPP治疗组中，细胞内p-p38和COX II的表达水平显著减少，再次说明所设计合成的功能化生物反应器具有清除细胞内O₂^-和H₂O₂的能力，能有效地保护细胞免受氧化损伤（图5d）。

图5. HMUiO MOFs细胞内的抗氧化能力：（a，b）细胞活力实验；（c）激光共聚焦图片；（d）Western Blot实验结果。

相关论文发表在Chemistry of Materials上，华东理工大学博士研究生李可为文章的第一作者，顾金楼教授为通讯作者。

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Spatially Organized Functional Bioreactors in Nanoscale Mesoporous MOFs for Cascade Scavenging of Intracellular ROS

Ke Li, Jian Yang, and Jinlou Gu*

Chem. Mater., 2021, 33, 2198–2205, DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c00123

Publication Date: March 12, 2021

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（本稿件来自ACS Publications）