模仿生物結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能以及生物功能的人造材料設(shè)計(jì)和合成是當(dāng)前材料科學(xué)的圣杯。在高等生物體內(nèi)的各種哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,由于缺乏細(xì)胞核和大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的血紅細(xì)胞成為了仿生重構(gòu)功能性人造細(xì)胞的絕佳目標(biāo)。盡管血紅細(xì)胞的生物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但其具有許多獨(dú)特的特征。血紅細(xì)胞特殊的雙凹圓盤形態(tài)可以提供較大的表面積/體積比,使其能夠快速的結(jié)合/釋放氧氣,將氧氣從肺運(yùn)送到身體各個(gè)組織。血紅細(xì)胞自身的彈性和可塑性允許其發(fā)生機(jī)械形變,通過直徑小于紅細(xì)胞直徑的毛細(xì)血管。血紅細(xì)胞表面存在的多種分子生物標(biāo)記物也給血細(xì)胞提供了多種生物功能。其中ABO抗原可以表現(xiàn)個(gè)體間的差異,與輸血時(shí)發(fā)生的溶血反應(yīng)密切相關(guān);自識(shí)別標(biāo)記物CD47可以保護(hù)血紅細(xì)胞不被巨噬細(xì)胞清除,從而大大延長其體內(nèi)循環(huán)時(shí)間。
近日,華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院朱偉教授和新墨西哥大學(xué)化學(xué)與生物工程系C. Jeffrey Brinker教授(美國工程院院士)聯(lián)合在先進(jìn)功能材料(ACS Nano,IF=14.588)雜志上在線發(fā)表題目為“Biomimetic Rebuilding of Multifunctional Red Blood Cells: Modular Design Using Functional Components”的研究論文,報(bào)道了一種模塊化設(shè)計(jì)并仿生重構(gòu)多功能血紅細(xì)胞的方法。(論文鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08714)
圖1. 仿生重構(gòu)血紅細(xì)胞的設(shè)計(jì)和構(gòu)建(A)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(B)
該方法首先對(duì)血紅細(xì)胞進(jìn)行生物礦化處理,在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)血紅細(xì)胞尺寸和雙凹形態(tài)的高保真復(fù)制;其次為了獲得類似血紅細(xì)胞的可變形性,以生物礦化后的血紅細(xì)胞為模板,在其表面通過層層自組裝的方式逐層沉積生物相容性好的海藻酸鈉和殼聚糖聚合物后進(jìn)行交聯(lián);再次通過精確刻蝕具有血紅細(xì)胞形態(tài)的二氧化硅核后,獲得具有血紅細(xì)胞尺寸、形態(tài)和彈性的血紅細(xì)胞高分子復(fù)制品;最后,將基于血紅細(xì)胞膜的囊泡包裹于血紅細(xì)胞高分子復(fù)制品外部,使重構(gòu)的血紅細(xì)胞具有與天然血紅細(xì)胞的相似表面性質(zhì),從而最終實(shí)現(xiàn)仿生重構(gòu)血紅細(xì)胞的構(gòu)筑。
仿生重構(gòu)的血紅細(xì)胞具有與天然血紅細(xì)胞幾乎相同的大小和雙凹圓盤形態(tài)。毛細(xì)管微流模型中的流動(dòng)變形行為研究證明了重構(gòu)的血紅細(xì)胞能夠從正常的扁圓形拉長成子彈形,然后在穿過小于其本身直徑的夾縫后,再恢復(fù)成本來的扁圓形。將重構(gòu)血紅細(xì)胞注射到雛雞胚胎模型研究其血液循環(huán),發(fā)現(xiàn)較高的剛度且較差的變形能力會(huì)降低其循環(huán)性能,然而類似天然血紅細(xì)胞的表面性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致其循環(huán)時(shí)間的延長。在小鼠模型中,對(duì)重構(gòu)血紅細(xì)胞循環(huán)能力進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)消除半衰期長達(dá)41.8小時(shí),超過普通人工合成藥物載體。同時(shí)由于模塊化的設(shè)計(jì)思想,其方便加載各種功能性的基元至仿生重構(gòu)的血紅細(xì)胞內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)多功能集成。在重構(gòu)血紅細(xì)胞中加載血紅蛋白可以賦予重構(gòu)血紅細(xì)胞氧氣載運(yùn)能力。氧合曲線表明負(fù)載血紅蛋白后的重構(gòu)血紅細(xì)胞具有與天然血紅細(xì)胞相當(dāng)?shù)妮d氧能力。將藥物,磁性納米顆粒和ATP生物傳感器等功能性基元加載至重構(gòu)血紅細(xì)胞上,可以方便各種功能的引入,如藥物遞送、磁性應(yīng)答、核磁共振成像、多光譜成像以及毒素檢測(cè)和中和。仿生重構(gòu)多功能血紅細(xì)胞不僅可以幫助理解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系,指導(dǎo)未來人造細(xì)胞設(shè)計(jì)與構(gòu)建,還顯示出其在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。該工作得到了國家自然科學(xué)基金(21972047)的資助。
由于此方法良好的應(yīng)用前景,該研究成果一經(jīng)發(fā)表就引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注,ACS美國化學(xué)會(huì)、X-MOL資訊、奇物論等主流學(xué)術(shù)公眾號(hào)紛紛轉(zhuǎn)載并報(bào)道了該工作。
相關(guān)鏈接:
ACS美國化學(xué)會(huì)報(bào)道:https://mp.weixin.qq.com/s/gZrstd48Ychgy4qB4Z_26w
X-MOL轉(zhuǎn)載:https://mp.weixin.qq.com/s/K79dVSHaDFMDhRO8h8DGCw
奇物論報(bào)道:https://mp.weixin.qq.com/s/gJ1aO4jFpPamX7Vz8TjRNA
版權(quán)與免責(zé)聲明:本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享,并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性,也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái),不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱:sales@allpeptide.com