二维(2D)材料因其在电子学、催化、储能和生物医学等领域的广泛应用而引起人们越来越多的兴趣。磷烯、锑烯和硼烯等单元素2D材料因其特殊的物理化学性质和优异的生物相容性而具有应用前途的新材料。此外，因这些二维材料的电学和光学性质而被认为是很有前途的抗癌治疗药物。砷烯是一种最近出现的具有层状结构的2D材料，类似于磷烯的弯曲蜂窝结构。由于具有合适的中等禁带宽度(1.66 eV)、较高的载流子迁移率和良好的光学性质，砷烯已广泛应用于半导体器件、光催化应用、纳米材料制备、电催化、自旋电子器件和柔性二维电子学。此外，砷烯是一种用于光伏和光催化的高效双功能材料。然而，目前缺乏对砷烯生物医学行为的探索，特别是它们在癌细胞中的作用。近日，来自南京大学化学化工学院郭子建院士、金钟教授和赵劲教授的研究团队合作，报道了一种新型的液体剥离法合成的砷烯纳米片，并将其应用于抗癌研究。首次采用直接超声剥离法制备了砷烯纳米片，并对其进行了表征。并探讨了其对癌细胞的细胞毒性及其作用机制。然后通过蛋白质组学图谱分析确定目标蛋白和受砷烯影响的细胞通路。这项工作首次为二维砷烯在生物医学上的应用提供了新的视角，表明砷烯在APL治疗中的应用前景。该研究成果以题为“Arsenene: A Potential Therapeutic Agent for Acute Promyelocytic Leukaemia Cells by Acting on Nuclear Proteins”的论文发表在国际期刊Angewandte Chemie International Edition上（见文后原文链接）。方案1、总结了二维材料在生物医学上的应用，并首次在急性早幼粒细胞白血病(APL)细胞中进行了砷的生物研究解析：通过在二甲基亚砜(DMSO)中超声处理灰色砷晶体制备了砷烯。样品离心分离后用冷冻干燥法干燥，然后用扫描电子显微镜(SEM)进行表征。在剥离过程之后，生成的砷化产物具有明显的纳米片状形貌(图1b,c)。用动态光散射法(图1d)测定了所制备的砷烯纳米片的尺寸分布，其平均尺寸为200.8 nm，呈正态分布。图1e和1f展示了所制备的砷烯的不同放大的TEM图像，显示了超薄的特征，并证实了砷烯的成功剥离。图1e的插图显示了砷烯在二甲基亚砜中分散的照片，表明了砷烯分散体系的均匀分散特性。图1g显示了在二甲基亚砜中储存10天之前和之后制备的砷烯的典型拉曼光谱。用X射线衍射(XRD)表征了所制备的砷烯的晶体结构，证实了合成的砷烯结晶度高、纯度高(图1j)。SAED图谱和高分辨率TEM表征描述了所制备的砷烯的晶态和非晶态特征(图1k)。解析：用CCK8细胞活力实验测定了亚砷纳米片对五种癌细胞和一种人正常肝细胞的细胞毒作用。结果表明，1.2 μg/mL砷烯对NB4癌细胞有明显的细胞抑制作用，抑制率为82%，而对正常L-02细胞无明显抑制作用，表明砷烯具有明显的选择性(图2a)。荧光显微镜图像通过用钙黄绿素AM(活细胞，绿色荧光)和碘化丙啶(PI，死亡细胞，红色荧光)处理后的细胞共同染色，提供了类似的结果，表明砷在NB4细胞中受到显著抑制(图2b)。为了进一步证实zeta电位的影响，将砷烯与其他二维纳米片状锑烯、黑色磷光体(BP)和铋进行了比较。同时，细胞毒性实验表明，锑和铋纳米片对细胞无生长抑制作用，而电位相近的BP对细胞生长的抑制率约为30%。结果表明，较高的zeta电位、较小的尺寸和平面结构是影响砷材料毒性的关键(图2c,2d)。为了探讨抑制作用的机制，进行了凋亡研究，流式细胞仪检测了早期和晚期凋亡细胞，41.6%的细胞发生了晚期凋亡(图2e)。线粒体去极化，这是凋亡的早期信号，这进一步证实了砷诱导细胞凋亡(图2g)。此外，用砷处理的NB4细胞的拉曼光谱表明存在氧化形式的砷纳米片(图2f)。解析：为了进一步探讨砷烯在细胞中的作用机制，在NB4细胞中进行了无标记定量蛋白质组学分析。根据1.5倍表达变化的标准筛选差异表达蛋白。结果，61个蛋白质上调，99个蛋白质下调(图3b)。在这些蛋白质中，42.5%在细胞核中，28.75%在细胞质中，7.5%在线粒体中(图3a)。通过KEGG途径筛选，对所有差异表达的蛋白质进行生物信息学分析，发现碱基切除修复途径、嘧啶代谢途径和DNA复制途径明显受到影响(图3c)。3条通路中共有4种蛋白：POLE、POLD1、POLD2和POLD3(图3d)。图4 砷烯对NB4细胞中细胞蛋白和砷烯结合蛋白作用的验证解析：在筛选的途径中表达TXNL1和三种不同的DNA聚合酶蛋白POLD1、POLD3和POL，并进行Western blot分析。Western印迹结果显示，所有检测到的核蛋白在砷处理12h和24h后均下调(图4a)。用LC-MS/MS鉴定结合蛋白。从质谱结果来看，砷烯结合蛋白主要是核苷酸结合蛋白(197个蛋白)，GO分析表明它们参与了基因表达过程，这与As2O3不同(图4e)。核细胞成像显示，砷烯破坏细胞核并形成核碎片，这与上述蛋白质组学分析中细胞核内蛋白质浓度差异的结果一致(图4b)。此外，砷处理NB4细胞中细胞器的细胞图像显示细胞膜、溶酶体、线粒体和内质网受损，导致细胞内缩聚(图4d)。通过免疫荧光检测，砷作用后NB4细胞的CD33表达明显下调，表明砷能通过抑制细胞表面对糖蛋白CD33的识别而消除NB4细胞(图4c)。解析：考虑到2D纳米片材在体内的潜力，进行了小鼠毒性试验。WBC、RBC、Hgb、Hct、MCV、MCH、MCHC和PLT与未处理组比较无显著性差异(P>0.05)，表明砷烯处理未引起明显的感染和炎症反应(图5a)。测定血清天冬氨酸转氨酶(AST)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、尿素氮(BUN)、乳酸脱氢酶(LDH)等血液生化指标。与未处理的小鼠相比，用砷烯处理的小鼠没有明显的差异(图5b)。此外，砷烯处理20天后，小鼠的体重没有明显变化(图5c)。并对其进行溶血试验，进一步证实其生物相容性。经全血溶血试验8h后，其溶血率接近0%。这证明了亚砷纳米片在体内与血液具有生物相容性(图5d)。注射12 0μg/mL砷24h后，取小鼠的肝、心、肺、脾、肾等脏器，用电感耦合等离子体质谱(ICPMS)进行检测。砷化物集中在肝脏和肾脏中。治疗7d后，用免疫组织化学方法观察5个脏器的病理变化(图5e)。对肝、脾、肺、心、肾无明显毒性作用(图5f)。https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201913675声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
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