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谭蔚泓院士综述：金属-有机框架纳米药物载体在生物医学中的应用: nanomicrolett 2020-7-21 22:29; Metal–Organic Framework Nanocarriers for Drug Delivery in Biomedical Applications Yujia Sun, Liwei Zheng, Yu Yang, Xu Qian, Ting Fu*, Xiaowei Li, Zunyi Yang, He Yan, Cheng Cui*, Weihong Tan* Nano‑Micro Lett.(2020) 12:103 https://doi.org/10.1007/s40820-020-00423-3 本文亮点 1. 综述了金属有机骨架(MOF)纳米药物载体在生物医学领域的应用进展。 2. 综述了治疗性MOFs 功能化的最新策略及其优缺点。研究背景金属-有机骨架(MOFs)是一类高有序晶体多孔配位聚合物(PCPs)。MOFs具有结构清晰、比表面积和孔隙率高、孔径可调、易于化学功能化等优点，被认为是一类很有前途的纳米药物载体。近年来，用于生物医学的金属-有机框架(MOF)的研究备受关注。内容简介湖南大学分子科学与生物医学实验室(MBL)团队等在本文中综述了MOFs的独特性质及其作为纳米药物载体在生物医学领域的应用。综述了利用表面吸附、孔包封、共价结合、功能分子作为构建基元等方法实现MOFs功能化的研究现状。随后介绍了MOFs在药物、蛋白质和核酸，特别是核酸适配体的细胞内传递方面的最新生物学应用。最后，本文对其面临的挑战和前景进行了全面的讨论，为MOFs作为高效药物传递系统的未来发展提供了背景。图文导读 I MOFs简介及其在生物医学上的应用金属-有机骨架(MOFs)以无机金属(如过渡金属和镧系金属)离子/团簇为节点，以有机配体(如羧酸盐、膦酸盐、咪唑酸盐和酚酸酯)为支撑，形成了扩展的无限一维/二维/三维MOFs网络。近年来，MOFs在生物医学领域的应用越来越受到人们的关注。当MOF粒子的尺寸缩小到纳米级时，这些纳米MOF(NMOFs)可以用于成像、化疗、光热治疗或光动力治疗的药物递送载体。与其它多孔材料相比，MOFs具有许多突出的优点，如：(1)具有高的比表面积和孔隙率，可用于高负载量的治疗药物；(2)易于通过无机团簇和/或有机配体对MOFs的物理(如孔径和形状)和化学性质进行改性。此外，通过对配体的预设计或合成后的修饰方法，可以在有机配体上添加所需的官能团；(3)通过MOFs的开放窗口和孔可以使扩散基质与结合分子发生相互作用；(4)中等强度的配位键，使MOF可生物降解；(5)明确的结构有利于主客体相互作用研究。由于这些独特的性质，MOFs被认为是药物传递和癌症治疗的最佳候选药物之一。 II 药物递送的功能化 MOFs具有独特的性质，如高度有序的结构、高比表面积和大孔容，使其能够在其外表面或开放通道上吸附功能分子，并将这些分子困在骨架内。此外，功能分子可以通过一锅法合成或合成后修饰，通过共价键结合到MOFs中。主要有四种先进策略可使具有生物应用治疗剂的MOFs功能化，包括：表面吸附、孔包封、共价结合和功能分子作为为构建模块。图1.a 以ZIF-70为基质，将MG和GDH共固定在电极表面制备葡萄糖电化学生物传感器的原理图。b ssDNA固定在精确控制通道大小的Ni-IRMOF-74系列中的示意图。镍、碳和氧原子分别用绿色、金色和红色标记。c 随着MOF通道大小的增加，ssDNA与MOFs相互作用逐渐增强。相对较弱的相互作用保证了ssDNA的吸收、保护和可逆释放。 III 在药物传递中的应用常规化疗的一个主要问题是，由于不好的生物分布，需要使用高剂量的药物，导致频繁的剂量相关副作用。这就需要探索新型高效的药物递送系统(DDSs)。最近的研究表明，MOF纳米载体的应用可以实现靶向给药、增加细胞摄取和控制药物释放，使MOFs成为一类很有前途的药物释放DDS，包括抗癌药物、抗菌药物、代谢标记分子、抗青光眼药物和激素。 3.1 药物通常，药物通过原位封装或合成后修饰策略负载到MOFs中。前者是一种相对简单的方法，适用于热稳定药物克服药物的过早释放。后者为避免破坏药物分子提供了更温和的环境。随着MOF化学的发展，已经探索了一系列MOFs作为在该领域中应用的有前途的候选载体。图2. a PAA@ZIF-8作为DOX载药和pH控制释放的纳米载体的综合示意图。b 负载DOX的PAA@ZIF-8在pH值为5.5和7.4、温度为37°C时的药物释放。c 不同浓度的PAA@ZIF-8、负载DOXPAA@ZIF、单药DOX孵育24 h后对MCF-7细胞的毒性。d MCF-7细胞对负载DOX PAA@ZIF-8( =20 μg/mL)分别在37℃下孵育3小时(A-C)、12小时(D-F)和24小时(g-I)的细胞摄取CLSM图像。1-3列可分别为细胞核(Hoechst 33342染色成蓝色)，DOX负载PAA@ZIF-8，以及两者的合并图像。比例尺为10 μm。 3.2 核酸核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。核酸在遗传信息的存储和表达中起着重要的作用。总的来说，在MOFs纳米载体中加入核酸可以防止其降解并加速其细胞吸收。此外，用核酸对MOFs纳米粒子进行表面修饰，可以通过提供空间位阻和静电阻聚来提高其胶体稳定性。目前，MOFs已被研究用于DNA、小干扰RNA(siRNA)、核酸适配体的递送或者控制释放。图3. a pEGFP-C1@ZIF-8通过仿生矿化和pEGFP-C1@ZIF-8-聚合物通过共沉淀后的细胞摄取和表达的示意图。b 不同浓度的pEGFP-C1@ZIF-8、 pEGFP-C1@ZIF-8-PEI 25kD、lipofectamine-2000的转染效率。c 在MCF-7细胞中表达pEGFP-C1的典型CLSM图像。 3.3 蛋白蛋白具有很多功能，如DNA复制、代谢反应的催化、分子运输等。由于蛋白质体积大、表面带电、对环境敏感，蛋白质很难在不丧失结构完整性的情况下自然穿过细胞膜。为了将蛋白质用于治疗目的，近年来，用于蛋白质胞内传递的MOFs纳米颗粒引起了越来越多的关注。图4. a ZIF-90/蛋白纳米粒的合成和ATP在细胞内触发蛋白释放的示意图。b ZIF-90/GFP的细胞摄取效率。c 不同的内吞抑制剂对ZIF-90/GFP细胞摄取效率的影响。d ZIF-90/GFP处理HeLa细胞的CLSM图像。用溶酶体探针(红色)进行内含体/溶酶体染色。 IV挑战尽管MOFs在药物递送领域的应用取得了显著的成就，但在这一领域仍然存在着一些挑战： 1)到目前为止，对药物的载药和释放动力学的研究还很有限； 2)基于MOF的DDS在临床应用上的潜在毒性。现有文献对MOF纳米粒的毒性研究非常有限，不足以得出结论。为了达到MOF纳米粒的临床开发阶段，应通过对其稳定性、降解机理和对正常器官的副作用进行系统的体内研究，优化基于MOFs的DDS的临床前评价性能。作者简介谭蔚泓本文通讯作者教授 ▍ 主要研究领域生物分析化学、化学生物学和分子医学。 ▍ 主要研究成果在国际国内知名学术刊物上发表学术论文650余篇，H-index 141，引用近64,000多次。2014-2019连续六年入选汤森路透全球高被引研究人员名单。研究成果获2011年教育部自然科学一等奖，2012年美国化学会Florida杰出贡献奖，2014年国家自然科学二等奖，2018年美国化学会“光谱化学分析奖”，2018年何梁何利基金科学与技术奖，2019年匹兹堡分析化学成就奖，2019年生物分析化学杰出贡献奖。2005年当选美国AAAS Fellow，2015年当选中国科学院院士，2016年当选发展中国家科学院院士，2019年被选为欧洲科学院院士。 ▍ Email: tan@hnu.edu.cn Ting Fu 本文通讯作者湖南大学 ▍ Email: futinghnu@hnu.edu.cn 撰稿：《纳微快报》编辑部编辑：《纳微快报》编辑部关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624; 12595 次阅读|0 个评论

金属有机骨架(MOFs)：储氢新材料: 热度 3 zhpd55 2012-9-21 11:19; 据《科学日报》（ ScienceDaily ） 2012 年 9 月 20 日报道，瑞典尤密欧大学（ Ume University ）的博士研究生 Serhiy Luzan 研究出一些新型的储氢材料。虽然氢可以作为一种理想的新型燃料电池汽车的动力燃料 , 但如何存储氢却是一个问题。 Serhiy Luzan 博士在他的博士论文中，对自己的研究成果进行了总结，他还表明 , 具有有趣属性的新材料可以通过氢和碳纳米结构材料反应合成。论文将在 2012 年 9 月 28 日在瑞典尤密欧大学（ Ume University ）公开。以氢气作为燃料的新型汽车引擎，产生的废气只有水，不会有其他污染物，而且效率是比普通内燃机的三到四倍。只是一个“小”问题阻碍了燃氢动力交通工具的发展，那就是没有好的方法来存储足够量的氢 , 因为氢是一种密度很低的气体物质。 Serhiy Luzan 在他的博士论文的第一部分中 , 奉献给读者就是研究令人兴奋的氢储新型材料——金属有机骨架 (MOFs) 类物质。这类物质由 Zn 基和Co基金属簇通过有机基团连接在一起 , 形成多孔型 MOFs 。 1 g MOF 具有的贮氢表面积超过一个足球场的面积 ! 每年有几十种新型 MOF 材料被合成 , 它们有希望成为下一代的储氢材料。在论文的第二部分， Luzan 描述了他由氢与富勒烯和碳纳米管反应制备的储氢材料。 Luzan 研究了富勒烯 C 60 和氢气在高温和加压下反应 , 使用金属催化剂和不用添加金属催化剂来合成含氢化合物，反应结果形成了氢化富勒烯（ C 60 H x ）。但是，长期与氢接触会导致富勒烯结构发生变化甚至彻底崩溃。这一结果表明 , 富勒烯可以被逐步分解成更小的分子 , 而这些小分子可以通过氢原子使其稳定存在，这是一种以前难以实现的结构。 Serhihy Luzan 说：“通过这种方法 , 我们应该能够使用富勒烯作为一种相对廉价的用于创建新分子的原材料 , 希望将保留原来碳纳米材料的有趣属性。” 氢化石墨烯或者石墨烷 (graphane) 预计将是一种理想的新型碳基电子材料 , 但氢化石墨烯很难通过石墨烯和氢之间的直接反应来合成。首先，氢化碳纳米管更容易得到 , 然后把它们沿着管轴切割成所谓的纳米丝带，氢以共价键的方式结合在纳米丝带的表面上。 Luzan 的实验表明 , 如果使用适当的催化剂，单壁碳纳米管和氢之间的反应是可能的，而且他已经观察到一些纳米管被转换为石墨烯或石墨烷纳米带。更多详细内容请浏览： Ume University 网站的相关报道。关于MOF导电体的报道请浏览： http://blog.sciencenet.cn/blog-212210-601261.html; 个人分类: 新科技|8877 次阅读|5 个评论

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