【材料】Angew：一种稳定的MOF复合物实现活细胞内的光控药物释放

来源：CBG资讯

由金属阳离子和多齿有机配体组成的金属有机骨架材料（Metal-organic-frameworks，MOFs）具备多孔、生物稳定性以及可以高效装载并控制药物释放等优点，因此已经成为了一种具有前景的纳米药物载体。尽管如此，MOFs药物载体在液体环境中的不稳定性限制了其发展，最有代表性的具有生物相容性的微孔沸石咪唑骨架材料（zeolitic imidazolate framework 8，ZIF-8）就由于其在水中的稳定性不佳，暴露在生理环境后10小时内会释放80-90%的药物。

近日，西班牙圣地亚哥·德·孔波斯特拉大学Pablo del Pino博士课题组、IMDEA Energy公司Patricia Horcajada博士及罗维拉·威尔吉利大学Ramon A. Alvarez-Puebla教授课题组合作，设计了一种基于ZIF-8的纳米复合物（nanocomposite，NC），其由两亲性聚合物聚[异丁烯–马来酸酐]–g–十二烷基（PMA）稳定的ZIF-8包裹金纳米星（nanostars，NSs）形成，该研究解决了ZIF-8在液体环境中不稳定的问题。这种复合物具有和传统ZIF-8相当的载药效率，可以在液体环境中稳定存在，同时还可以在近红外光（near-IR，NIR）的照射下快速释放药物，作者在水溶液及细胞中验证了这个NC的性能，相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.201902817），题为“Aqueous Stable Gold nanostar/ZIF-8 Nanocomposites for Light Triggered Release of Active Cargo Inside Living Cells”。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者以可以被770 nm激发光激活的NSs作为种子合成了ZIF-8，优化后的NCs呈多面体形貌，平均大小为218±24 nm（Figure 1A-C）。作者选择了双苯酰亚胺复合物Hoechst H33258（HOE）作为模式药物，这是一种常用于染细胞核的荧光染料，它被释放后可以和DNA结合，然后发出更强（30:1）、波长更短（461 nm vs. 520 nm）的荧光。作者先将NCs放入HOE甲醇溶液中孵育得到了包载HOE的NCs（NC-HOE），然后将NC-HOE与PMA一起孵育得到了PMA包裹的NC-HOE（NC-HOE-PMA），由于包载过程中一部分染料释放，因此最终负载的HOE只有初始值的40%，而包载前后NC-HOE的光学性质基本无变化（Figure 1D）；此外，作者还对这些NC进行了热重分析（Figure 1E）和氮气吸附测试（Figure 1F）。接下来，作者分别检测了NC和PMA-NC在水溶液和细胞培养基中的稳定性，结果显示NC在5小时内就快速降解，而PMA-NC在其中孵育一周以后粒径也没有明显变化（Figure 1G），表明这种PAM-NC在液体环境中具有优异的稳定性。

作者接下来研究了NC-HOE和NC-HOE-PMA的热等离子体行为（Figure 2）。作者利用NIR照射不同浓度的材料，结果发现溶液的温度随着材料的浓度增加而增加。随后作者将这些溶液离心，通过荧光分析定量了HOE的释放，结果显示NIR照射的材料（无论是NC-HOE还是NC-HOE-PMA）释放HOE的量都远远高于加热组和无照射组。在无NIR照射的情况下，随着时间延长（0、8、24 h），NC-HOE-PMA水溶液和磷酸盐缓冲液中释放HOE的量都低于1%，而NC-HOE的甲醇溶液会释放20%的HOE（24 h）。在有NIR照射的情况下，NC-HOE-PMA会快速释放30%的HOE，停止照射后HOE几乎不再释放；而NC-HOE一开始就会释放10%，释放量会随着时间逐渐增加。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

最后，作者研究了NC-HOE和NC-HOE-PMA在活细胞内释放HOE的情况，作者将不同浓度的材料和细胞共同孵育，结果发现两种材料都具有浓度相关的细胞毒性。作者利用配置SERS成像系统的共聚焦显微镜对胞内的药物输送过程进行了追踪。SERS成像结果显示和NC-HOE孵育的细胞内无HOE的信号，这是由于ZIF-8在进入细胞之前就被降解，而和NC-HOE-PAM孵育的细胞内可以检测到清晰的HOE信号（Figure 3A-C）。实时监控发现NIR照射的前2小时会释放约75%的HOE，而到8小时时基本没有HOE的信号，表明HOE已经被降解。共聚焦显微观察的数据（Figure 3D-F）显示NC-HOE-PAM会富集在细胞内特定区域（比如溶酶体），NIR照射之后会快速释放HOE与DNA结合。而NC-HOE由于在培养基中降解，因此可以直接进入细胞核，与细胞核共定位。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

总而言之，该研究开发了一种可以在液体环境（甚至细胞）中稳定存在的基于ZIF-8的纳米材料，具有热等离子效应和较高的药物装载效率。这种材料在正常情况下几乎不释放药物，而一旦接受NIR照射，就会快速释放装载的药物，因此可以用于药物的定点、定时控制释放。