華南理工朱偉、南科大余沛源、南洋理工趙彥利 Nat. Commun.：納米隔室限域效應(yīng)介導生物體內(nèi)聚合反應(yīng)
生物體內(nèi)無時無刻不進行著各種各樣的化學反應(yīng)，例如，生物合成多糖、蛋白質(zhì)和核酸，這不僅構(gòu)成了生物體所需的各種基本成分，也賦予了生物體各種功能，并調(diào)節(jié)了生命進程。截止目前，已經(jīng)有一些外源性化學反應(yīng)成功在體內(nèi)發(fā)生，例如利用點擊反應(yīng)，轉(zhuǎn)移氫化，脫除保護基等實現(xiàn)生物體內(nèi)合成熒光探針，活性藥物。聚合反應(yīng)是一種合成多種多樣，易于調(diào)控大分子化合物的普遍方法，可以為科學家理解，分析和調(diào)節(jié)細胞性能提供無限可能。目前有一些基于超分子和共價的聚合反應(yīng)已在生命體內(nèi)發(fā)生，創(chuàng)造了多種功能并調(diào)節(jié)生物反應(yīng)。在生物體中實現(xiàn)人工聚合反應(yīng)面臨著一些實際困難：1）通常需要運輸高濃度的底物；2）生物體內(nèi)普遍存在的活性物質(zhì)和代謝產(chǎn)物可能會抑制聚合過程；3）多數(shù)聚合反應(yīng)需要額外的刺激來激活，例如紫外光，金屬離子等；4）目前體內(nèi)合成的聚合物功能還比較有限。
圖 1. 生物體內(nèi)聚合反應(yīng)示例及利用納米隔室受限策略在生物體中成功實現(xiàn)外源性光聚合及內(nèi)源性氧化聚合的示意圖。
針對這些問題，華南理工大學生物科學與工程學院朱偉教授、南方科技大學余沛源教授和新加坡南洋理工大學趙彥利教授共同設(shè)計利用納米隔室受限策略在生物體中成功實現(xiàn)多種聚合反應(yīng)的發(fā)生（圖1）。納米隔室提供了一種受限的環(huán)境，使得單體在腔體內(nèi)具有較高的局部濃度，提高了單體碰撞的效率，可以避免加入高濃度的單體，從而降低單體的潛在毒性。納米隔室也為單體創(chuàng)造了一個隱秘的環(huán)境，可以降低活性物質(zhì)對于聚合反應(yīng)的影響，利于多種聚合反應(yīng)在體內(nèi)發(fā)生。
以外源性的光聚合反應(yīng)為例，苯乙烯磺酸鈉（NaSS）在光引發(fā)劑的存在下，隨著光照時間的延長，光聚合反應(yīng)發(fā)生，熒光強度增強。當利用囊泡包載NaSS和光引發(fā)劑后，其聚合反應(yīng)速度增加了2.7倍。分別將有囊泡和沒有囊泡的NaSS加入到4T1細胞中，孵育4小時后進行光照，發(fā)現(xiàn)有囊泡組的熒光強度增加倍數(shù)為無囊泡組熒光強度增加倍數(shù)的2.9倍，說明了納米隔室對于細胞內(nèi)聚合有有益作用（圖2）。
圖 2. 納米隔室受限策略介導的外源性光聚合反應(yīng)。
利用外源性刺激（如金屬離子，光，熱等）來實現(xiàn)體內(nèi)聚合在實際應(yīng)用中多有受限，內(nèi)源性信號（如過氧化氫，低pH，各種酶類）則表現(xiàn)出了極大潛力。利用囊泡包載辣根過氧化物酶（HRP）和苯胺類似物，可以實現(xiàn)過氧化氫響應(yīng)的內(nèi)源性聚合（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，對于不同的苯胺類似物，在囊泡協(xié)助下的聚合反應(yīng)速率明顯高于沒有囊泡的聚合反應(yīng)速率。同時，當添加新鮮的細胞上清作為干擾物時，有囊泡的聚合反應(yīng)保留了更高的反應(yīng)速率，證實了納米隔室為單體提供了一種受限和隔離的環(huán)境，增強了聚合反應(yīng)速率，也提供了一個更穩(wěn)定的聚合環(huán)境。
圖 3. 納米隔室受限策略介導的內(nèi)源性氧化聚合反應(yīng)。
在這些底物中，ADPAH@AOT在響應(yīng)H2O2后在近紅外二區(qū)（NIR-II）表現(xiàn)出了明顯的吸收，進一步的研究發(fā)現(xiàn)，其具有較好的NIR-II的光熱和光聲性能。通過與腫瘤細胞孵育，發(fā)現(xiàn)其可以誘導腫瘤細胞免疫原性死亡（ICD），促進樹突狀細胞熟化，激活免疫反應(yīng)（圖4）。由于腫瘤處有過表達的H2O2，使得該體系有潛力作為可激活的NIR-II光熱免疫治療。進一步地，在菠蘿蛋白酶降解腫瘤細胞外基質(zhì)的協(xié)助下，ADPAH@AOT在小鼠體內(nèi)促進了ICD效應(yīng)，促進了樹突狀細胞的成熟，進一步增加了T細胞的浸潤，增強了免疫響應(yīng)，其不僅清除了原位瘤，也進一步的抑制了遠端瘤，獲得了有效的光熱免疫治療效果（圖5）。
圖 4. ADPAH@AOT激活免疫原性死亡及促進樹突狀細胞成熟的表征。
圖 5. ADPAH@AOT響應(yīng)腫瘤處H2O2聚合反應(yīng)的發(fā)生及其激活光熱免疫治療的表征。
以上相關(guān)成果以“Nanocompartment-confined polymerization in living systems”為題發(fā)表于《Nature Communications》上，該論文第一作者為新加坡南洋理工大學博士后陳韻，通訊作者為華南理工大學生物科學與工程學院朱偉教授，南方科技大學余沛源教授和新加坡南洋理工大學趙彥利教授。該研究得到了國家自然科學基金等項目支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40935-1
