華東理工大學顧金樓《CM》：納米介孔MOFs孔道內級聯生物反應器的定位構建及其用于細胞內活性氧的清除
生命體內的區室化和級聯反應是自然界中實現細胞內代謝和和高效信息交流的基本原則，該種方式能夠允許中間產物在各催化單元之間的高效和定向轉移。因此，在人工系統中模擬這種高效有序的納米微環境引起了人們的極大興趣。目前，基于多孔材料的多種生物反應器已經被開發出來，并期盼將不同酶的催化作用高效偶聯起來。金屬有機骨架（MOFs）高度可調的結構和可變的組成成分使其成為構建此類生物反應器的理想材料。MOFs的優勢不僅在于可以對其物理結構進行設計，引入介孔結構對大分子酶進行負載，還可以改變孔壁上的化學組成，賦予其可與酶相協同的催化作用。然而，在MOFs中使用軟模板作為結構導向劑自組裝形成介孔的同時保持其結晶性仍然是一個挑戰。這是由于在MOFs生長過程中結晶的驅動力通常非常強，因此前驅體傾向于優先結晶，而將模板劑排除在自組裝過程之外，使其不能起到結構導向的作用。
針對上述問題，華東理工大學顧金樓教授團隊在前期研究的基礎上，開發了一種Hofmeister離子介導的軟模板自組裝策略，實現了介孔MOFs的可控合成，并在此基礎上對MOFs的微介孔結構進行分級功能化，成功構建了納米級偶聯生物反應器用于細胞內活性氧的清除。如圖1所示，作者采用UiO-66型MOF作為基體，F127作為模板劑，ClO4-作為鹽溶離子，合成了孔徑約為7 nm的納米介孔MOFs。同時，得益于Zr6團簇配位方式的多樣性，具有過氧化氫酶（CAT）活性的錳卟啉分子可作為配體引入到骨架中，與介孔內負載的天然超氧化物歧化酶（SOD）協同作用構成級聯抗氧化系統用于細胞內活性氧（ROS）的高效清除。
該研究團隊首先通過調控反應體系的參數，揭示了該自組裝策略的主要影響因素。首先，作為一種Hofmeister鹽溶離子，ClO4-在本體系介孔的形成過程起著關鍵作用。ClO4-的作用在于增強MOFs前驅體于共聚物膠束之間的相互作用，從而阻止自組裝系統中共聚物膠束和MOFs前驅體的相分離。在沒有ClO4-的情況下只能獲得沒有介孔的UiO-66-NH2。其次，調節劑的用量是控制納米顆粒介孔結構和形貌的關鍵因素。一系列的對照實驗表明，當調節劑的量較少時，所獲得的納米粒子較小，但是產物的結晶度較低。當調節劑的加入量過多，顆粒形狀將變得不規則，且尺寸增大，不利于后續實驗中細胞的內吞。
作者使用掃描電鏡、透射電鏡、氮氣吸附測試和掃描透射電子顯微鏡等手段對材料進行了詳細的表征。結果表明該材料介孔尺寸約為7.4 nm，粒徑約100 nm（圖2），且在摻雜卟啉配體之后形貌及結構沒有發生明顯的變化（圖3）。
體外實驗結果表明該介孔MOFs作為載體可對負載的SOD提供良好的保護作用。在緩沖液中浸泡一段時間后，相比于游離的SOD，SOD@HMUiO-MnTCPP仍然具有較高的O2-抑制活性（圖4a，b）。同時，摻雜的Mn-TCPP配體賦予了HMUiO-MnTCPP類CAT活性，可將SOD催化O2-產生的H2O2進一步分解為H2O和O2（圖4c，d）。
隨后，該團隊采用百草枯（PQ）作為氧化應激源來刺激HeLa細胞內ROS的過表達，以此為模型檢測該抗氧化系統對細胞的保護能力。如圖5a和5b所示，SOD@HMUiO-MnTCPP對細胞活力的影響與劑量呈正相關。同時，與未處理細胞相比，HMUiO-MnTCPP和游離SOD處理組的細胞存活率僅略有增加。表明了SOD@HMUiO-MnTCPP中天然SOD和模擬CAT酶對ROS清除的協同作用，使該納米系統具有更顯著的抗氧化保護水平。為進一步監測不同MOFs處理后細胞中ROS的含量，采用2’，7’-二氯熒光素二乙酸（DCFH-DA）法進行測試。經PQ預處理過的HeLa細胞可在激光共焦掃描顯微鏡（CLSM）成像中產生顯著熒光增強，與細胞內高水平的ROS相對應（圖5c）。而經SOD@HMUiO-MnTCPP預處理過的細胞內熒光明顯減弱，進一步證明該系統對ROS突出的清除能力。此外，因氧化應激產生的p-p38和COX-II被選作生物標記物進一步評價該納米體系的抗氧化能力。Western Blot結果表明，在SOD@HMUiO-MnTCPP治療組中，細胞內p-p38和COX II的表達水平顯著減少，再次說明所設計合成的功能化生物反應器具有清除細胞內O2-和H2O2的能力，能有效地保護細胞免受氧化損傷（圖5d）。
相關論文發表在Chemistry of Materials上，華東理工大學博士研究生李可為文章的第一作者，顧金樓教授為通訊作者。
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