JACS 北大劉志博課題組報導金屬氟化物納米晶驅動的活體剪切化學

2021-02-15 化學加

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近日，北京大學化學與分子工程學院應用化學系劉志博課題組在Journal of the American Chemical Society上發表題為「Desilylation Induced by Metal Fluoride Nanocrystals Enables Cleavage Chemistry In Vivo」的研究論文。在該工作中，作者巧妙地利用了金屬氟化物的活體解離平衡，通過原位脫矽反應，成功實現並首次報導了金屬氟化物納米晶驅動的活體剪切化學，並藉助放射性分子影像完成了組織選擇性的化學調控。該工作基於無機材料、化學生物學、放射性醫學影像等學科的交叉融合，提出了一類新型的活體化學調控策略，並為金屬氟化物等經典無機材料領域的發展帶來了新思路和新機遇。

圖1. 基於CaF2納米晶的矽烷脫除反應實現活體剪切化學

金屬氟化物納米晶因其獨特的物理化學性質，被廣泛用於生物成像、藥物遞送、生物傳感等生物醫學領域。理想情況下，金屬氟化物納米晶應具備足夠的化學穩定性，以維持良好的光、電、磁性質。但是，根據溶解平衡原理，金屬氟化物在水溶液及活體內會釋放出金屬離子和氟離子，這一過程不僅會對其結構和功能造成影響，釋放出的金屬離子還會帶來潛在的生物安全問題。儘管對於絕大多數的生物應用而言，金屬氟化物的溶解是不希望發生的，作者注意到，金屬氟化物的溶解產物氟離子作為一種經典的脫矽反應試劑，可用於高效的矽醚脫除反應，進而構建出基於金屬氟化物的活體剪切化學體系。

為了實現這個想法，作者合成了六種經典的金屬氟化物，利用矽醚保護的羅丹明衍生物評估了不同金屬氟化物的脫矽釋放能力。螢光動力學結果顯示，脫矽反應速率高度依賴於氟離子的平衡濃度，順序為BaF2 > SrF2 >CaF2≈NaYF4@CaF2> NaYF4 > LaF3。綜合考慮脫矽反應速率和金屬離子的毒性，作者選用了CaF2用於後續實驗。

為了進一步提高生物相容性，作者合成了聚乙二醇修飾的CaF2納米晶，利用透射電鏡和氟離子計監測了CaF2納米晶在水溶液中的溶解過程，證明CaF2納米晶可用作快速釋放氟離子的生物材料，並成功實現細胞水平上螢光分子的釋放。作者還設計了基於矽醚保護的多肽偶聯藥物，在CaF2納米晶的激活下，化療藥物得到釋放，有效地抑制了腫瘤的生長。

綜上，該工作開發了新型的活體矽烷脫除反應工具，拓展了金屬氟化物納米晶材料的生物醫學功能，並為設計更有價值的無機-有機前藥帶來了新的啟發。

北京大學化學與分子工程學院的博士研究生段東斑為該文的第一作者，劉志博老師為通訊作者。北京大學孫聆東教授，博士後董浩和研究生杜平為該工作做出了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、化學與分子工程學院、北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯合中心以及北京天壇醫院的資助。

原文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c10399

來源：北京大學化學與分子工程學院

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