劉震教授團隊報道可控納米分子印跡
納米材料已經(jīng)在傳感、成像、組學(xué)分析和癌癥診療等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。特別是量子點、上轉(zhuǎn)換材料、等離激元納米材料和磁性納米材料等很多納米材料由于具有獨特的物理響應(yīng)，能提供高靈敏度的檢測信號。然而，這些納米材料本身缺乏分子識別的能力，其對靶標(biāo)的識別往往需要利用抗體、凝集素和適配體等生物識別分子對其表面進行功能化。由于這些生物識別分子與納米材料存在結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性上的顯著差異，這樣的表面功能化所賦予的性能往往不甚理想。一個比較理想的解決方案似乎是直接在基底納米材料的表面通過合理設(shè)計和可控合成構(gòu)建分子識別的功能化材料層?；诖?，分子印跡應(yīng)該是一個最佳的解決方案。
分子印跡是在模板存在的情況下引發(fā)功能單體和交聯(lián)劑的聚合的仿生識別材料制備技術(shù)；在除去模板后，得到具有在形狀、大小和功能基團與模板相互補的印跡空腔的聚合物。近年來，我院劉震教授團隊已經(jīng)發(fā)展出多個新穎、通用、高效的分子印跡方法（Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52:?7451; Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54:?10211; Nat. Protocol.2017, 12:?964; Chem Sci.2019, 10:?1831），制備出系列蛋白質(zhì)及其翻譯后修飾的仿生識別材料，獲得了逼近單克隆抗體和超越于凝集素的分子識別性能，已經(jīng)應(yīng)用于親和分離(Anal. Chem.2018, 90: 9845; Anal. Chem.2016, 88:?1447)、疾病診斷(Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53:?10386)、單細胞分析(Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55: 13215.)和癌癥治療(Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58: 10621;Angew. Chem. Int. Ed.2021,60, 2663-2667; ACS Nano, 2021, DOI:10.1021/acsnano.1c07166)等重要領(lǐng)域。
分子印跡技術(shù)領(lǐng)域一直存在一個瓶頸問題：為了獲得最佳的分子識別性能，需要對功能單體的配比進行優(yōu)化，但在最佳配比下所得的分子印跡聚合物（MIP）常常無法同時得到最強的親和力和最高的特異性，而是這兩者間的折中。我院劉震教授團隊近期提出了先進分子印跡策略—分子印跡和包覆（MIC）（Sci. Bull. 2021, DOI: doi.org/10.1016/j.scib.2021.10.006），所得分子印跡及包覆聚合物（cMIP）同時具備最強的親和力和最高的特異性，有效地解決了這一長期困擾分子印跡技術(shù)的瓶頸問題。在該策略的基礎(chǔ)上，近日，該團隊報道了一種稱為基于反向微乳液的可控表面印跡（ROSIC）的新方法，不僅能對各種納米材料表面進行仿生分子識別功能化，也能制備無核的分子印跡納米球，所得材料具有優(yōu)異的分子識別性能。該技術(shù)通過反向微乳液體系體系控制印跡材料的尺寸，并將印跡模板約束在微乳液-水相界面，利用在印跡的過程中水解的硅烷單體會參與納米材料的表面配體交換，促進將納米材料引入反向微乳液體系的水相，從而實現(xiàn)對各種納米材料的表面可控功能化，并在印跡后在非印跡區(qū)域精準(zhǔn)可控地包覆非特異吸附力若的包覆層。該策略是高效、通用和可控的技術(shù)，能制備出識別各種各樣的蛋白質(zhì)及其糖基化和磷酸化等翻譯后修飾的納米材料。該技術(shù)可與各種先進納米技術(shù)相結(jié)合，在生物傳感和生物醫(yī)學(xué)等重要應(yīng)用領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。?
圖1.納米材料的表面可控分子印跡
2. 印跡條件的優(yōu)化?
圖3. 在肽段和蛋白水平的特異性考察
通過選擇量子點、磁性納米材料、銀納米材料和上轉(zhuǎn)換納米材料為代表，作者實現(xiàn)了對各種納米材料表面進行仿生分子識別功能化的可控分子印跡，制備出了一系列具有單一內(nèi)核、且尺寸可控的多功能分子印跡及包覆聚合物。作者隨后對這種功能化策略的機理進行了深入探討。
圖4. 納米材料的表面可控分子印跡
為了證明制備的核-殼cMIP在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力，作者制備了單個量子點為內(nèi)核的分子印跡及包覆聚合物(QD@cMIP NPs)，針對兩種典型的癌癥生物標(biāo)志物，包括人類表皮生長因子受體-2(HER2)和跨膜糖蛋白非轉(zhuǎn)移基因B(GPNMB)，進行靶向識別，并通過共聚焦熒光成像實現(xiàn)了三陰性乳腺癌(TNBC)細胞與其他乳腺癌細胞系的區(qū)分。?
圖5. 人乳腺癌細胞熒光共聚焦成像。?
最后，作者通過對荷瘤小鼠模型進行體內(nèi)靶向成像，進一步證明了其實際應(yīng)用價值。
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圖6. 活體成像。?
綜上所述，該工作所提出的ROSIC策略可以成功用于納米材料的表面可控分子印跡，實現(xiàn)對肽段和蛋白的靶向。印跡過程所需的模板可以很容易地通過固相合成獲得，避免了模板昂貴和難以制備等問題。此外，這種方法可用于靶向其它具有生物學(xué)意義的化合物，如聚糖。因此，本研究為具有靶向能力的先進納米材料的設(shè)計和功能化開辟了新的途徑，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有廣闊的前景。
這一成果近期發(fā)表在Advanced Science上，文章的第一作者是博士研究生郭展辰，劉震教授為論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目和南京大學(xué)卓越計劃的經(jīng)費資助。?
論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202101713
Controllable Engineering and Functionalizing of Nanoparticles for Targeting Specific Proteins towards Biomedical Applications
Zhanchen Guo, Rongrong Xing, Menghuan Zhao, Ying Li, Haifeng Lu, and Zhen Liu *
Advanced Science?2021,DOI: 10.1002/advs.202101713
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