仿生手性水凝膠對(duì)細(xì)胞選擇性黏附領(lǐng)域的研究取得的重要進(jìn)展

近日，《德國應(yīng)用化學(xué)》以“The Cooperative Effect of both Molecular and Supramolecular Chirality on Cell Adhesion”為題，在線報(bào)道了上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馮傳良教授課題組在仿生手性水凝膠對(duì)細(xì)胞選擇性黏附領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展(Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201801462).

手性是自然界zui重要的化學(xué)信號(hào)之一，對(duì)保持人體組織細(xì)胞的正常功能起到了決定作用。構(gòu)建手性微納米結(jié)構(gòu)，探索手性影響細(xì)胞粘附、生長的內(nèi)在機(jī)理不僅在生物醫(yī)藥健康等領(lǐng)域有應(yīng)用價(jià)值，也對(duì)探討自然界生命的手性起源具有重大意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)分子手性影響細(xì)胞的行為進(jìn)行了研究，證明了分子手性對(duì)細(xì)胞粘附生長的重要作用。其次，我們課題組在前期的研究中也證明了手性納米纖維結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞的粘附與生長也有著非常重要的影響。盡管如此，關(guān)于手性調(diào)控細(xì)胞的研究仍舊處于前期的探索階段，還存在很多亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。其中，在分子組裝體中分子手性是保留并得到放大的，手性納米纖維調(diào)控細(xì)胞行為過程中分子手性起到了什么作用就是一個(gè)亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，這主要因?yàn)槭中约{米纖維結(jié)構(gòu)與分子手性是細(xì)胞外微環(huán)境中的一個(gè)協(xié)同統(tǒng)一體。因此，要闡述清楚分子手性和組裝纖維手性對(duì)細(xì)胞黏附的影響，設(shè)計(jì)合成由單一對(duì)映體構(gòu)建不同手性的螺旋纖維結(jié)構(gòu)顯得越來越重要。

圖一、凝膠因子分子結(jié)構(gòu)及亞甲基的奇偶效應(yīng)調(diào)控螺旋手性反轉(zhuǎn)的示意圖。

基于上述背景，上海交通大學(xué)馮傳良教授課題組利用亞甲基基團(tuán)的奇偶效應(yīng)，設(shè)計(jì)合成了亞甲基基團(tuán)共價(jià)連接的L-苯*和苯環(huán)，外圍為生物相容性良好的二甘醇胺修飾的BA、BE和BP凝膠因子。通過改變L-苯*手性碳與剛性苯環(huán)之間的亞甲基基團(tuán)的奇偶數(shù)，實(shí)現(xiàn)了超分子組裝體的手性反轉(zhuǎn)。鑒于該體系是由單分子手性均一的三種凝膠因子構(gòu)建的螺旋纖維，對(duì)BA、BE和BP組裝的手性納米纖維進(jìn)行了細(xì)胞黏附和增殖的研究。

圖2、三種凝膠因子干凝膠的掃描電鏡圖片。利用掃描電鏡(SEM)對(duì)凝膠BA、BE和BP的微觀形貌進(jìn)行了表征分析。結(jié)果顯示BA和BP凝膠的納米纖維為右手螺旋，而BE凝膠的納米纖維為左手螺旋

圖3、三種水凝膠的圓二色圖譜和振動(dòng)圓二色圖譜。

利用圓二色光譜(CD)對(duì)BA、BE和BP水凝膠狀態(tài)下聚集體的超分子手性進(jìn)行了測試（圖3B上圖）。亞甲基為偶數(shù)的BA(n=0)和BP(n=2)在273nm處有正的Cotton效應(yīng)峰，在220 nm附近出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的Cotton效應(yīng)峰；而亞甲基為奇數(shù)的BE(n=1)，在235-600 nm之間出現(xiàn)了正的寬Cotton效應(yīng)峰，在227 nm附近出現(xiàn)一個(gè)正的Cotton效應(yīng)峰。CD譜圖曲線信號(hào)顯示兩者具有一定的非鏡像對(duì)稱?；谙嗤瑯?gòu)型的L-苯丙酸合成得到的3種凝膠因子，而區(qū)別在于甲基基團(tuán)數(shù)量的不同，證明三種凝膠產(chǎn)生了手性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這是由于不同數(shù)量的亞甲基之間的奇偶效應(yīng)改變了L-苯*的手性碳與剛性苯環(huán)之間的空間距離，引發(fā)了組裝分子之間的空間構(gòu)象變化，造成了超分子組裝體的手性反轉(zhuǎn)。利用振動(dòng)圓二色光譜(VCD，圖3B)研究了BA、BE和BP凝膠的手性。BA（圖3B上圖）和BP（圖3B下圖）在1750-1600cm-1之間顯示的是（ - / +）VCD信號(hào)， BE（圖3B中）的VCD信號(hào)顯示出顯著的（+/-）。VCD模式意味著從BA到BE到BP的手性反轉(zhuǎn)，結(jié)果與SEM和CD實(shí)驗(yàn)一致，表明BA具有右手納米纖維BE，左手納米纖維和BP右手納纖維。

圖4、Hy926細(xì)胞和NIH 3T3細(xì)胞在BA、BE和BP手性納米纖維薄膜上孵育不同時(shí)間后的熒光顯微鏡照片及細(xì)胞黏附密度）

將NIH 3T3細(xì)胞和Hy926細(xì)胞接種在涂有BA、BE和BP干凝膠薄膜的96孔細(xì)胞培養(yǎng)板上（約 2000 個(gè)/孔），采用活-死細(xì)胞雙染，熒光顯微鏡下觀察并拍照。用 Image J 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從(圖4B和C)可知，兩種細(xì)胞在BE凝膠薄膜上粘附的細(xì)胞數(shù)量為BA凝膠薄膜上粘附細(xì)胞數(shù)量的1.2倍，BP凝膠薄膜上的1.3倍。表明盡管這兩種納米纖維均源自L-苯*衍生物，但左旋螺旋納米纖維可促進(jìn)細(xì)胞黏附，而右手納米纖維具有微弱的影響。

圖5、手性納米纖維細(xì)胞黏附的示意圖。

結(jié)論證明由L-苯*衍生物構(gòu)建的左手螺旋納米纖維(M)對(duì)細(xì)胞黏附是正影響,源自L-苯*衍生物的右手螺旋納米纖維(P)和源自D-苯*衍生物的左手螺旋納米纖維(M)的細(xì)胞黏附效果為弱影響，而由D-苯*衍生物組裝的右手納米纖維(P)的細(xì)胞黏附效果為負(fù)影響。經(jīng)過對(duì)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出由手性氨基酸構(gòu)建的手性纖維對(duì)細(xì)胞黏附的影響順序?yàn)長M>LP≈DM>DP（圖5）。

該論文的*作者是劉進(jìn)營博士生，通訊作者為馮傳良教授。該項(xiàng)工作得到自然科學(xué)基金(基金號(hào)51573092)、上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新計(jì)劃重大項(xiàng)目和上海高校特聘教授(東方學(xué)者)崗位計(jì)劃資助.

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