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近日，《德國應(yīng)用化學(xué)》以“The Cooperative Effect of both Molecular and Supramolecular Chirality on Cell Adhesion”為題，在線報道了上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馮傳良教授課題組在仿生手性水凝膠對細胞選擇性黏附領(lǐng)域取得的重要進展(Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201801462).

手性是自然界zui重要的化學(xué)信號之一，對保持人體組織細胞的正常功能起到了決定作用。構(gòu)建手性微納米結(jié)構(gòu)，探索手性影響細胞粘附、生長的內(nèi)在機理不僅在生物醫(yī)藥健康等領(lǐng)域有應(yīng)用價值，也對探討自然界生命的手性起源具有重大意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對分子手性影響細胞的行為進行了研究，證明了分子手性對細胞粘附生長的重要作用。其次，我們課題組在前期的研究中也證明了手性納米纖維結(jié)構(gòu)對細胞的粘附與生長也有著非常重要的影響。盡管如此，關(guān)于手性調(diào)控細胞的研究仍舊處于前期的探索階段，還存在很多亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。其中，在分子組裝體中分子手性是保留并得到放大的，手性納米纖維調(diào)控細胞行為過程中分子手性起到了什么作用就是一個亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，這主要因為手性納米纖維結(jié)構(gòu)與分子手性是細胞外微環(huán)境中的一個協(xié)同統(tǒng)一體。因此，要闡述清楚分子手性和組裝纖維手性對細胞黏附的影響，設(shè)計合成由單一對映體構(gòu)建不同手性的螺旋纖維結(jié)構(gòu)顯得越來越重要。

圖一、凝膠因子分子結(jié)構(gòu)及亞甲基的奇偶效應(yīng)調(diào)控螺旋手性反轉(zhuǎn)的示意圖。

基于上述背景，上海交通大學(xué)馮傳良教授課題組利用亞甲基基團的奇偶效應(yīng)，設(shè)計合成了亞甲基基團共價連接的L-苯丙氨酸和苯環(huán)，外圍為生物相容性良好的二甘醇胺修飾的BA、BE和BP凝膠因子。通過改變L-苯丙氨酸手性碳與剛性苯環(huán)之間的亞甲基基團的奇偶數(shù)，實現(xiàn)了超分子組裝體的手性反轉(zhuǎn)。鑒于該體系是由單分子手性均一的三種凝膠因子構(gòu)建的螺旋纖維，對BA、BE和BP組裝的手性納米纖維進行了細胞黏附和增殖的研究。

圖2、三種凝膠因子干凝膠的掃描電鏡圖片。利用掃描電鏡(SEM)對凝膠BA、BE和BP的微觀形貌進行了表征分析。結(jié)果顯示BA和BP凝膠的納米纖維為右手螺旋，而BE凝膠的納米纖維為左手螺旋

圖3、三種水凝膠的圓二色圖譜和振動圓二色圖譜。

利用圓二色光譜(CD)對BA、BE和BP水凝膠狀態(tài)下聚集體的超分子手性進行了測試（圖3B上圖）。亞甲基為偶數(shù)的BA(n=0)和BP(n=2)在273nm處有正的Cotton效應(yīng)峰，在220 nm附近出現(xiàn)一個負的Cotton效應(yīng)峰；而亞甲基為奇數(shù)的BE(n=1)，在235-600 nm之間出現(xiàn)了正的寬Cotton效應(yīng)峰，在227 nm附近出現(xiàn)一個正的Cotton效應(yīng)峰。CD譜圖曲線信號顯示兩者具有一定的非鏡像對稱?；谙嗤瑯?gòu)型的L-苯丙酸合成得到的3種凝膠因子，而區(qū)別在于甲基基團數(shù)量的不同，證明三種凝膠產(chǎn)生了手性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這是由于不同數(shù)量的亞甲基之間的奇偶效應(yīng)改變了L-苯丙氨酸的手性碳與剛性苯環(huán)之間的空間距離，引發(fā)了組裝分子之間的空間構(gòu)象變化，造成了超分子組裝體的手性反轉(zhuǎn)。利用振動圓二色光譜(VCD，圖3B)研究了BA、BE和BP凝膠的手性。BA（圖3B上圖）和BP（圖3B下圖）在1750-1600cm-1之間顯示的是（ - / +）VCD信號， BE（圖3B中）的VCD信號顯示出顯著的（+/-）。VCD模式意味著從BA到BE到BP的手性反轉(zhuǎn)，結(jié)果與SEM和CD實驗一致，表明BA具有右手納米纖維BE，左手納米纖維和BP右手納纖維。

圖4、Hy926細胞和NIH 3T3細胞在BA、BE和BP手性納米纖維薄膜上孵育不同時間后的熒光顯微鏡照片及細胞黏附密度）

將NIH 3T3細胞和Hy926細胞接種在涂有BA、BE和BP干凝膠薄膜的96孔細胞培養(yǎng)板上（約 2000 個/孔），采用活-死細胞雙染，熒光顯微鏡下觀察并拍照。用 Image J 軟件進行統(tǒng)計分析，從(圖4B和C)可知，兩種細胞在BE凝膠薄膜上粘附的細胞數(shù)量為BA凝膠薄膜上粘附細胞數(shù)量的1.2倍，BP凝膠薄膜上的1.3倍。表明盡管這兩種納米纖維均源自L-苯丙氨酸衍生物，但左旋螺旋納米纖維可促進細胞黏附，而右手納米纖維具有微弱的影響。

圖5、手性納米纖維細胞黏附的示意圖。

結(jié)論證明由L-苯丙氨酸衍生物構(gòu)建的左手螺旋納米纖維(M)對細胞黏附是正影響,源自L-苯丙氨酸衍生物的右手螺旋納米纖維(P)和源自D-苯丙氨酸衍生物的左手螺旋納米纖維(M)的細胞黏附效果為弱影響，而由D-苯丙氨酸衍生物組裝的右手納米纖維(P)的細胞黏附效果為負影響。經(jīng)過對細胞實驗結(jié)果的分析，得出由手性氨基酸構(gòu)建的手性纖維對細胞黏附的影響順序為LM>LP≈DM>DP（圖5）。

該論文的*作者是劉進營博士生，通訊作者為馮傳良教授。該項工作得到國家自然科學(xué)基金(基金號51573092)、上海市教育委員會科研創(chuàng)新計劃重大項目和上海高校特聘教授(東方學(xué)者)崗位計劃資助.

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