【纳米材料】超分子化学和纳米材料的结合：主客体相互作用对细胞吞噬金纳米颗粒的调控

纳米材料是指三维结构中至少有一维在纳米尺度上的材料，由于可以通过改变材料的尺寸、形状和组成而调控其电子学、磁学及光学性质，纳米材料在电学、光学及信息通讯等领域有着广泛的潜在应用。同时，纳米材料在尺寸上与许多生物分子和生物系统类似，也可以通过改性后具备各种功能，因此纳米技术具有极大的生物医学应用价值。目前，纳米医学已经将纳米材料用于运载诊断和治疗试剂，介导生物分子间的相互作用和以高灵敏度、高通量的方式检测生物体内分子水平的改变。金纳米颗粒（Gold Nanoparticles， AuNPs），也被称为胶体金，由于其合成方法直接简单，合成后的金纳米颗粒性质稳定，再加上它具有所有纳米材料都具备的光电性能和良好的生物相容性，是被研究得最多的纳米材料之一。但金纳米颗粒通常是通过细胞的内吞作用进入到细胞的，这种途径对纳米颗粒的尺寸、形状及表面性质有着较高的要求。通常，只有尺寸合适并且呈电正性的纳米颗粒能够以较高的效率进入细胞内，而中性及电负性的纳米颗粒则较为困难。同时，相对于溶液这种较为单一的环境，生物液内的许多物质如蛋白质会对纳米颗粒的性质产生影响，因此即使纳米颗粒在溶液中呈电正性，也会因为蛋白质的包裹而变为电负性。此外，纳米颗粒进入细胞内的过程通常是自发的、难以调控的，因此如何有效地调控这一过程是学者们研究的重点及难点。

近日，西班牙CIC biomaGUNE研究中心的Luis M. Liz-Marzán教授和Ikerbasque基金的Jesús Mosquera报道了通过主客体结合控制细胞吞噬金纳米颗粒的方法（图1）。虽然之前已经有研究发现可以通过调节金纳米颗粒的溶解度、聚集态及光物理性质等手段来控制细胞吞噬金纳米颗粒，但是这些方法仅局限于对pH有响应的金纳米颗粒，并不能作为一种通用的方法。作者另辟蹊径，通过溶剂绿7（pyr）和正四面体状主体化合物（Cage A）的相互作用成功调控了细胞吞噬金纳米颗粒的过程，并发现即使在富含蛋白质的生物液中，这种具有高度选择性的主客体识别行为也能保证细胞吞噬的高效进行。该成果以“Cellular Uptake of Gold Nanoparticles Triggered by Host−Guest Interactions”为题发表于《美国化学会志》（DOI: 10.1021/jacs.7b12505）。

图1. 主客体分子的结构及其结合调控的细胞吞噬金纳米颗粒示意图

（图片来源：J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4469−4472）

作者首先通过改进的Brust-Schiffrin方法和常规的NHS反应制备了负载有溶剂绿7的金纳米颗粒（NP2），并通过ζ-potential、TEM及UV/Vis对所制备的金纳米颗粒及其与Cage A的结合进行了表征，结果发现如预期的一样，NP2的尺寸在2 nm左右，并且在与Cage A结合前其表面呈现电负性（−15±1 mV）。而与主体化合物Cage A（0.2 eq）结合后，金纳米颗粒的表面电势则会迅速变为+15±2 mV，而继续增加主体化合物的含量则会使得金纳米颗粒的表面电势进一步增加。在确定Cage A的结合会改变金纳米颗粒的表面电势后，作者在细胞环境中研究其对细胞吞噬纳米颗粒进程的影响，结果发现HeLa细胞并不会主动吞噬NP2（1 小时培育结果）。然而在Cage A的存在下，细胞对纳米颗粒的吞噬作用显著增强，不仅如此，即使在富含蛋白质的DMEM溶液中，Cage A也能有效增强HeLa细胞对金纳米颗粒的吞噬作用（图2）

图2. Cage A对HeLa细胞吞噬NP2的影响

（图片来源：J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4469−4472）

此外，由于主客体相互作用具有竞争性，作者推测可以通过调节主客体化合物的比例来调控细胞对金纳米颗粒的吞噬进程。为了证实这个的猜想，作者通过反复改变主客体化合物的比率来观察细胞对金纳米颗粒的吞噬作用。结果发现，细胞对金纳米颗粒的吞噬作用在溶剂绿7过量时几乎停滞，而在有适量Cage A的加入后，其吞噬作用可以恢复（图3）。

图3. 主客体调控的细胞吞噬金纳米颗粒

（图片来源：J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4469−4472）

全文作者：Jesús Mosquera , Malou Henriksen-Lacey, Isabel García, Miguel Martínez-Calvo, Jéssica Rodríguez, José L. Mascareñas , and Luis M. Liz-Marzán