上海交通大学冯传良教授课题组在仿生手性水凝胶对细胞选择性黏附领域的研究取得的重要进展

近日，《德国应用化学》以“The Cooperative Effect of both Molecular and Supramolecular Chirality on Cell Adhesion”为题，在线报道了上海交通大学材料科学与工程学院冯传良教授课题组在仿生手性水凝胶对细胞选择性黏附领域取得的重要进展(Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201801462).

手性是自然界最重要的化学信号之一，对保持人体组织细胞的正常功能起到了决定作用。构建手性微纳米结构，探索手性影响细胞粘附、生长的内在机理不仅在生物医药健康等领域有应用价值，也对探讨自然界生命的手性起源具有重大意义。近年来，国内外学者对分子手性影响细胞的行为进行了研究，证明了分子手性对细胞粘附生长的重要作用。其次，我们课题组在前期的研究中也证明了手性纳米纤维结构对细胞的粘附与生长也有着非常重要的影响。尽管如此，关于手性调控细胞的研究仍旧处于前期的探索阶段，还存在很多亟需解决的关键科学问题。其中，在分子组装体中分子手性是保留并得到放大的，手性纳米纤维调控细胞行为过程中分子手性起到了什么作用就是一个亟需解决的关键科学问题，这主要因为手性纳米纤维结构与分子手性是细胞外微环境中的一个协同统一体。因此，要阐述清楚分子手性和组装纤维手性对细胞黏附的影响，设计合成由单一对映体构建不同手性的螺旋纤维结构显得越来越重要。

图一、凝胶因子分子结构及亚甲基的奇偶效应调控螺旋手性反转的示意图。

基于上述背景，上海交通大学冯传良教授课题组利用亚甲基基团的奇偶效应，设计合成了亚甲基基团共价连接的L-苯丙氨酸和苯环，外围为生物相容性良好的二甘醇胺修饰的BA、BE和BP凝胶因子。通过改变L-苯丙氨酸手性碳与刚性苯环之间的亚甲基基团的奇偶数，实现了超分子组装体的手性反转。鉴于该体系是由单分子手性均一的三种凝胶因子构建的螺旋纤维，对BA、BE和BP组装的手性纳米纤维进行了细胞黏附和增殖的研究。

图2、三种凝胶因子干凝胶的扫描电镜图片。利用扫描电镜(SEM)对凝胶BA、BE和BP的微观形貌进行了表征分析。结果显示BA和BP凝胶的纳米纤维为右手螺旋，而BE凝胶的纳米纤维为左手螺旋

图3、三种水凝胶的圆二色图谱和振动圆二色图谱。

利用圆二色光谱(CD)对BA、BE和BP水凝胶状态下聚集体的超分子手性进行了测试（图3B上图）。亚甲基为偶数的BA(n=0)和BP(n=2)在273nm处有正的Cotton效应峰，在220 nm附近出现一个负的Cotton效应峰；而亚甲基为奇数的BE(n=1)，在235-600 nm之间出现了正的宽Cotton效应峰，在227 nm附近出现一个正的Cotton效应峰。CD谱图曲线信号显示两者具有一定的非镜像对称。基于相同构型的L-苯丙酸合成得到的3种凝胶因子，而区别在于甲基基团数量的不同，证明三种凝胶产生了手性反转现象。这是由于不同数量的亚甲基之间的奇偶效应改变了L-苯丙氨酸的手性碳与刚性苯环之间的空间距离，引发了组装分子之间的空间构象变化，造成了超分子组装体的手性反转。利用振动圆二色光谱(VCD，图3B)研究了BA、BE和BP凝胶的手性。BA（图3B上图）和BP（图3B下图）在1750-1600cm-1之间显示的是（ - / +）VCD信号， BE（图3B中）的VCD信号显示出显着的（+/-）。VCD模式意味着从BA到BE到BP的手性反转，结果与SEM和CD实验一致，表明BA具有右手纳米纤维BE，左手纳米纤维和BP右手纳纤维。

图4、Hy926细胞和NIH 3T3细胞在BA、BE和BP手性纳米纤维薄膜上孵育不同时间后的荧光显微镜照片及细胞黏附密度）

将NIH 3T3细胞和Hy926细胞接种在涂有BA、BE和BP干凝胶薄膜的96孔细胞培养板上（约 2000 个/孔），采用活-死细胞双染，荧光显微镜下观察并拍照。用 Image J 软件进行统计分析，从(图4B和C)可知，两种细胞在BE凝胶薄膜上粘附的细胞数量为BA凝胶薄膜上粘附细胞数量的1.2倍，BP凝胶薄膜上的1.3倍。表明尽管这两种纳米纤维均源自L-苯丙氨酸衍生物，但左旋螺旋纳米纤维可促进细胞黏附，而右手纳米纤维具有微弱的影响。

图5、手性纳米纤维细胞黏附的示意图。

结论证明由L-苯丙氨酸衍生物构建的左手螺旋纳米纤维(M)对细胞黏附是正影响,源自L-苯丙氨酸衍生物的右手螺旋纳米纤维(P)和源自D-苯丙氨酸衍生物的左手螺旋纳米纤维(M)的细胞黏附效果为弱影响，而由D-苯丙氨酸衍生物组装的右手纳米纤维(P)的细胞黏附效果为负影响。经过对细胞实验结果的分析，得出由手性氨基酸构建的手性纤维对细胞黏附的影响顺序为LM>LP≈DM>DP（图5）。

该论文的第一作者是刘进营博士生，通讯作者为冯传良教授。该项工作得到国家自然科学基金(基金号51573092)、上海市教育委员会科研创新计划重大项目和上海高校特聘教授(东方学者)岗位计划资助.

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201801462

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