近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場中心王俊峰研究員課題組，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF），在蛋白仿生礦化與金屬有機(jī)框架（MOFs）結(jié)合的研究中取得重要進(jìn)展，成功構(gòu)建了一種由蛋白籠包裹的生物型納米金屬有機(jī)框架材料，大幅提升了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、親水性、生物相容性和藥物負(fù)載能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊Nano Letters上。

金屬有機(jī)框架（MOFs）因其高孔隙率、可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的藥物負(fù)載能力，近年來備受關(guān)注。然而，MOFs在生物應(yīng)用中存在穩(wěn)定性、親水性和生物利用度較低及藥物泄漏等問題，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在腫瘤藥物靶向遞送中，亟需開發(fā)更穩(wěn)定、高效的納米載體，以提高藥物遞送效率并降低毒性。

在本研究中，團(tuán)隊(duì)基于此前的仿生礦化技術(shù)研究（Journal of Materials Chemistry B, 2017；ACS Applied Materials & Interfaces, 2020；PNAS, 2022, Chemical Engineering Journal, 2023, Small 2024），利用生物礦化的BSA（牛血清白蛋白）作為模板，成功調(diào)控了鋅基MOF（ZIF-8）的晶體結(jié)構(gòu)，合成了具有高穩(wěn)定性和尺寸均一性的生物型MOF材料（BSA@ZIF-8）。這種由礦化蛋白BSA調(diào)控金屬節(jié)點(diǎn)的納米結(jié)構(gòu)將MOFs的尺寸從150 nm顯著降低至65 nm，并提升了其在復(fù)雜生物環(huán)境中的穩(wěn)定性和生物相容性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的ZIF-8相比，BSA@ZIF-8在體外和體內(nèi)均表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤藥物遞送效果。特別是在負(fù)載抗癌藥物多柔比星（Doxorubicin, DOX）后，BSA@ZIF-8能夠在腫瘤微環(huán)境的酸性條件下（pH 5.0）實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)釋放，同時(shí)在中性條件下（pH 7.4）保持穩(wěn)定，顯著減少了藥物的非特異性泄漏。研究顯示，BSA@ZIF-8的最大藥物載量達(dá)到了16μg/mg，并能高效富集進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)部。此外，通過SHMFF核磁共振（NMR）、二維及三維細(xì)胞熒光實(shí)驗(yàn)等多種技術(shù)手段，研究進(jìn)一步揭示了BSA@ZIF-8與腫瘤細(xì)胞的相互作用機(jī)制及藥物釋放機(jī)制。結(jié)果表明，BSA蛋白的外殼結(jié)構(gòu)不僅顯著提高了MOFs的生物穩(wěn)定性，還增強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞的靶向性和藥物遞送效率。

該研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在體內(nèi)小鼠模型中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。與傳統(tǒng)載藥MOFs相比，BSA@ZIF-8在抑制腫瘤生長方面展現(xiàn)了優(yōu)越的效果，治療組小鼠的腫瘤體積顯著縮小，并顯示出更長的生存時(shí)間。此外，該材料的血液學(xué)和組織學(xué)分析也顯示出良好的生物相容性，未引起明顯的毒性反應(yīng)。本研究不僅展示了BSA@ZIF-8在腫瘤治療中的應(yīng)用潛力，還為未來蛋白-金屬有機(jī)框架的設(shè)計(jì)和功能化提供了新的思路，進(jìn)一步推動(dòng)了納米醫(yī)學(xué)和腫瘤治療領(lǐng)域的發(fā)展。

強(qiáng)磁場中心博士后Sajid ur Rehman、健康所博士后孔帥、強(qiáng)磁場中心博士研究生張靜為共同第一作者，強(qiáng)磁場中心王俊峰研究員、馬坤副研究員及健康所蔣遠(yuǎn)副研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了科技部外國青年專家計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、科技部重大專項(xiàng)、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院院長基金等的支持。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c04147?ref=pdf

圖1:生物型MOF BSA@ZIF-8結(jié)構(gòu)狀態(tài)的透射電鏡圖

圖2:展示了用于靶向藥物輸送的 BSA 籠狀 MOF 的創(chuàng)建過程。封裝的化療藥物DOX在酸性微環(huán)境中被策略性地釋放，從而誘導(dǎo)惡性細(xì)胞凋亡。

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