01 工作亮点
1. 构建了一种将酶分子直接封装在MOF中缺陷位点的制造方法。
2. 这些缺陷产生了介孔并增强了酶底物的运输
3. 将酶分子直接封装在MOF中，构建了药物输送系统。
02 研究背景
由有机连接子和金属节点形成的多孔金属-有机框架MOF因其高比表面积、可调的孔径、多种物理化学性质以及在催化、吸附、分离等方面展现出巨大潜力，引起科研工作者们广泛研究。
一个对特定化学信号可以做出反应的智能系统，对于控制药物传递，精确治疗疾病和减少药物副作用非常重要。酶催化在温和条件下进行，具有较高的生物相容性，有望成为该系统的核心。此外，酶的高活性和选择性将为智能系统提供高灵敏度和高特异性。
晶体中的缺陷有时能产生奇迹般的效果。近年来，人们努力在MOFs中创建缺陷位点，以实现不寻常的非均相结构，从而定制MOFs的物理化学性质。合成后处理，使用酸作为调制剂，以及利用普通或热敏连接剂，这几种策略已被证明在MOFs中产生缺陷有效。
03 研究内容
一个对特定化学信号可以做出反应的智能系统，对于控制药物传递，精确治疗疾病和减少药物副作用非常重要。基于此，天津大学张麟教授和清华大学戈钧教授及其团队报道了一种将酶包埋在金属有机框架 (MOF) 中设计缺陷的方法，该方法为药物输送带来了有利的特性，表明缺陷有时可以带来神奇的性能。封装在有缺陷的 MOF 中的葡萄糖氧化酶 (GOx) 表现出比封装在正常 MOF中高得多的表观活性。通过扩展X射线吸收精细结构的傅里叶变换和分子模拟相结合，证明了缺陷产生了介孔，从而增强了酶底物的传输。基于这种缺陷工程方法，通过将 GOx 和胰岛素共同封装在缺陷 MOF 中，构建了一种药物输送系统。在有缺陷的MOFs中，胰岛素可以在葡萄糖浓度高的情况下有效释放，而在葡萄糖浓度低的情况下几乎不能释放，这为胰岛素智能传递提供了一种新的可能途径。相关研究成果以“Defect engineering of enzyme-embedded metal-organic frameworks for smart cargo release” 为题发表于Chemical Engineering Journal 上。
04 图文解析
图1. 蛋白质包附在MOF中的缺陷设计图示。
图2. (a) GOx@d-ZIF-8复合材料的SEM和TEM图像，以及Zn和S元素分布的EDS图谱。TEM图像比例尺为100 nm。(b) GOx@d-ZIF-8复合材料的CLSM图像。GOx被标记为FITC。(c)通过DLS测定GOx@ZIF 8和GOx@d-ZIF-8的粒径分布。(d)模拟ZIF-8、GOx@ZIF-8、GOx@dZIF-8的XRD谱图。(e) ZIF-8、d-ZIF-8、GOx@ZIF-8、GOx@d-ZIF-8的红外光谱。(f) GOx@d-ZIF-8与不同量的1-甲基咪唑在合成过程中的相对活性。
图3. (a)分子模拟ZIF-8和d-ZIF-8的结构。(b)平衡dZIF-8的结构。Zn、C、O、H、N原子的颜色分别为深粉红色、浅灰色、红色、白色、蓝色。形成的孔隙上有绿色的珠子。(c) GOx@d-ZIF-8的R空间FT-EXAFS拟合曲线。(d)分子模拟ZIF-8和dZIF-8的孔径分布。(e)通过实验测量GOx@ZIF 8和GOx@d-ZIF-8的孔径分布。
图4. (a) Drug &GOx@ZIF-8和Drug &GOx@d-ZIF-8的药物释放过程示意图。(b) fitc标记胰岛素释放过程对应的荧光强度胰岛素和GOx@ZIF-8 5 mM葡萄糖溶液(黑色)，胰岛素和GOx@d-ZIF-8 5 mM葡萄糖溶液(紫色)和Insulin@d-ZIF-8 12 mM葡萄糖溶液(橙色)。(c) 5 mM葡萄糖溶液中胰岛素和GOx@ZIF-8(灰色)、5 mM葡萄糖溶液中胰岛素和GOx@d-ZIF-8(紫色)、12 mM葡萄糖溶液中Insulin@d-ZIF-8(橙色)释放fitc标记胰岛素过程中pH值的变化。(d)基于扩散-反应模型的GOx@d-ZIF-8内部葡萄糖浓度分布。(e)基于扩散-反应模型的GOx@ZIF-8内部葡萄糖浓度分布。
05 总结与展望
该研究证明了通过共沉淀法，酶可以封装在有缺陷的ZIF-8中。d-ZIF-8缺陷的设计保证了合并酶的高活性和稳定性。d-ZIF-8的缺陷可以调节与GOx共封装的药物的释放，使其成为一种对葡萄糖浓度升高有响应的智能给药系统。这项研究也为开发缺陷MOFs作为具有广泛应用前景的酶宿主载体提供了新的机会。
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