浙江大学计剑教授课题组在生物医用界面的仿生组装与修饰领域研究进展

计剑教授课题组研究领域简介

1. 层层组装与仿生界面构筑

研究发现了具有强烈指数增长特征的层层自组装新现象，为快速制备微纳复合仿生界面提供了新方法；依据生物医用界面多功能设计的要求，利用层层自组装固定及传递生物活性分子，建立和发展了层层自组装构建生物医用功能界面的新方法；同时根据细胞对于环境的自我调整能力，进一步利用层层自组装构建具有刺激响应性的生物医用智能界面。

2. 心血管植入材料与器件

针对心血管原位再生材料的关键问题，发现并证明了复杂体内环境内皮细胞竞争行为对心血管内皮原位再生材料的关键作用，这一研究结果纠正了单纯通过促进内皮细胞快速增长实现原位内皮再生的传统设计思想，为设计新型的心血管植入材料提供了新依据。

3. 生物医用功能纳米材料的仿生界面设计

课题组长期致力于生物医用界面的仿生修饰研究，形成了独特的细胞膜仿生两性离子界面修饰原理和技术，以病毒高效靶向效应为启示，发现了两性离子特殊的纳米界面效应，利用肿瘤微酸环境成功实现了纳米载体长效循环、靶向内吞和高效滞留的对立统一，为设计体内复杂体系中靶向癌症细胞内治疗系统提供新途径。

4. 仿智能微载体

主要研究内容为仿生智能微载体用于癌症的早期诊断和治疗，包括仿生纳米材料的设计与合成、光响应与光治疗纳米载体的制备与应用、吉西他滨键合药的设计及在胰腺癌治疗上的应用。

【信息来源】

http://tac.polymer.zju.edu.cn//biointerfaces/index.php

2

文献分析

研究进展1 通过眼药水实现无创眼科药物递送

第一作者：贾凡，李丽萍

通讯作者：Yuan Lei, 计剑

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05977

眼药水等局部给药技术是迄今为止临床眼科实践中最安全、最方便和最主要的应用。然而，人眼尤其是角膜的多重生理屏障严重削弱了它们的功效。作为第一道保护线，角膜可防止异物渗入脆弱的眼部组织。但是紧密堆积的细胞和角膜中不同层之间的亲水性-疏水性交替也构成了对药物分子常规被动扩散的巨大障碍。

计剑教授团队证明了超阳离子诱导的胞吞作用可以显著提高谷胱甘肽 (GSH) 响应性聚合一氧化氮 (NO) 载体的跨角膜递送效率。不仅证明了超阳离子和 GSH 反应性的结合能够显著提高 NO 供体经角膜输送到前房的效率，还证明了可以通过NO相关信号缓解青光眼小鼠的高眼压（IOP）症状。这种递送策略不仅可以用于眼内药物输送，还可以用于克服其他生物医学领域的天然药物障碍。

研究进展2 克服肿瘤耐药和转移的纳米载体

第一作者：邓永岩，贾凡

通讯作者：Qiao Jin, 计剑

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202001747

随着生物纳米技术的发展，亚细胞靶向给药在癌症治疗中显示出巨大的潜力，一旦药物能够被特异性转运到靶细胞器中，就可以显著放大治疗效果。线粒体是众所周知的真核细胞的发电站。在肿瘤的进展中，线粒体在起始、生长、转移和其他肿瘤相关活动中起关键作用。线粒体靶向药物纳米载体在癌症治疗中正在受到越来越多的关注。它们可以通过将线粒体靶向配体（例如三苯基鏻和线粒体穿透肽）与纳米粒子结合来制造。然而，线粒体靶向配体通常带正电荷，这可能会极大地影响循环时间。如何在保持线粒体靶向能力的同时实现较长的循环时间仍然是一个很大的挑战。

计剑教授团队开创了一种酸激活电荷反转药物纳米载体，用于精确靶向线粒体递送 NO，以克服癌症治疗中的耐药性和转移。将PEG 缀合的线粒体穿透肽 PEG-(KLAKLAK) 2 CGKRK 用酸可裂解的二甲基马来酸酐 (DA) 作为保护基团进行修饰，然后与基于 α-环糊精 (α-CD) 的多柔比星 (DOX) 结合。所获得的α-CD-DOX-NO-DA纳米颗粒在肿瘤细胞外 pH (≈6.5) 下，酰胺键可以水解以促进纳米颗粒的内化，同时选择性地恢复 (KLAKLAK)2 CGKRK 序列的线粒体靶向能力。NO 在线粒体中积累后，容易释放，导致线粒体功能障碍，切断能量供应，抑制 P-gp 相关的生物活性和 TMV 的形成，从而克服耐药性和癌症转移。

研究进展3 氧纳米载体：缓解生物膜缺氧，增强抗生素治疗效果

第一作者：胡登峰

通讯作者：Qiao Jin, 计剑

全文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202000398

人类70%以上的细菌感染是由生物膜引起的，如顽固性感染和慢性感染。在过去的一个世纪里，抗生素治疗是对抗细菌感染的常用方法。由于生物膜的巨大耐药性，抗生素在对抗细菌生物膜感染方面表现出显著降低的杀菌能力。然而，更高剂量的抗生素不仅会导致严重的副作用，而且会极大地加速耐药性的发展。

计剑教授团队提出了一种将 PFH 和载氧脂质体（lip@PFH@O2）、商业抗生素（氨曲南、头孢他啶和哌拉西林-他唑巴坦）相结合的顺序治疗策略，以对抗生物膜相关感染。首先，lip@PFH@O2设计用于氧气输送，以缓解生物膜缺氧，从而减少或克服抗生素耐药性。然后，施用抗生素以根除生物膜包裹的细菌。由于lip@PFH@O2表面带弱正电荷，且其具有高载氧能力，因此能够有效地渗透到生物膜中并释放氧气，从而显著提高整个生物膜的氧合作用。随着生物膜缺氧的缓解，抗生素的最低杀菌浓度（MBC）降低数倍，抗生素在缺氧缓解的帮助下增强了抗菌作用。基因测序表明，生物膜缺氧的缓解可以通过下调相关基因的表达来抑制群体感应和药物外排泵的活性，从而有助于显著降低生物膜的耐药性，提高抗生素的治疗效果。

研究进展4 基质消耗诱导纳米粒子穿透性用于胰腺导管腺癌治疗

第一作者：韩海杰、陈晓辉

通讯作者：Qiao Jin, 计剑, Mingyuan Gao

全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.0c00650

胰腺导管腺癌 (PDAC) 是一种恶性程度极高的癌症，作为基质最丰富的癌症，除了约10% 的癌细胞外，还含有高达 90% 的基质。胰腺星状细胞 (PSC) 在被转化生长因子 β (TGF-β) 等促纤维化介质激活后，会分泌过多的细胞外基质 (ECM) 蛋白，是基质的主要来源。致密基质导致间质液压力高，严重阻碍了治疗（纳米）药物从血管到肿瘤组织的有效外渗。此外，丰富的基质细胞与高密度 ECM 一起形成物理屏障，也会抑制（纳米）药物的渗透。

计剑教授团队提出了一种将智能和创新的吉西他滨纳米载体与二甲双胍相结合的疗法，以促进吉西他滨的递送并消除肿瘤。MET通过PANC-1细胞的AMPK通路抑制TGF-β的产生和分泌，通过抑制PSCs的活性促进基质枯竭。设计了一种智能纳米载体，包括PH响应跨膜单元和控释单元，以及可用于通过磁共振成像(MRI)监测靶向药物传递的Fe3O4纳米颗粒(MNPs)。该纳米载体一旦进入癌细胞内，当组织蛋白酶b切割其连接子(即GFLG肽)时，GEM将在溶酶体中释放。在动物实验中，在注射上述纳米剂之前，通过腹腔注射MET来耗尽PDAC的致密基质屏障，能够实现GEM的有效传递。

研究进展5 具有空间封装功能的聚电解质膜

第一作者：陈夏超、黄威嫔

通讯作者：Kefeng Ren, 计剑

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.201804867

在过去的几十年里，聚电解质薄膜的动态特性在分离、电子、能源和光学等多个领域引起了广泛关注。计剑教授团队最近证明，微孔聚电解质薄膜的结构转变可以在饱和湿度下实现，在这种条件下，链间相互作用可以被高度削弱，聚电解质链的流动性可以被激活。

作者描述了一种简单而有效的策略，通过局部调控聚电解质薄膜的结构转变，在空间上控制物质的封装。作者团队将阳离子聚乙亚胺(PEI) (LbL)与聚丙烯酸(PAA)衍生物(PAA- n3)逐层组装，得到一种光反应聚合物膜。通过掩膜选择性地交联薄膜，然后将其浸泡在酸性溶液中，就可以形成图案孔隙。PAA链上的光活性基团能够稳定薄膜在紫外线照射下的区域，并防止这些区域在酸诱导下形成多孔结构。对于具有图案多孔性的薄膜，多孔区域可以表现出与致密区域显著不同的性质，包括芯溶液的能力、对客体物种的更大保留力以及结构转变的特征。加载客体物种后，在100%相对湿度(RH)下可以消除多孔结构，使客体物种融入薄膜中，导致这些物种在整个薄膜中呈图案分布。这种策略突出的优点是封装的位置可以精确控制。通过这种方法，从荧光染料到纳米颗粒的各种客体可以局部封装到薄膜中，形成任意形状和大小的独特图案，从而为进一步应用铺平了道路。