刘志博课题组报道金属氟化物纳米晶驱动的活体剪切化学

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近日，北京大学化学与分子工程学院应用化学系刘志博课题组在Journal of the American Chemical Society上发表题为“Desilylation Induced by Metal Fluoride Nanocrystals Enables Cleavage Chemistry In Vivo”的研究论文。在该工作中，作者巧妙地利用了金属氟化物的活体解离平衡，通过原位脱硅反应，成功实现并首次报道了金属氟化物纳米晶驱动的活体剪切化学，并借助放射性分子影像完成了组织选择性的化学调控。该工作基于无机材料、化学生物学、放射性医学影像等学科的交叉融合，提出了一类新型的活体化学调控策略，并为金属氟化物等经典无机材料领域的发展带来了新思路和新机遇。

图1. 基于CaF2纳米晶的硅烷脱除反应实现活体剪切化学

        金属氟化物纳米晶因其独特的物理化学性质，被广泛用于生物成像、药物递送、生物传感等生物医学领域。理想情况下，金属氟化物纳米晶应具备足够的化学稳定性，以维持良好的光、电、磁性质。但是，根据溶解平衡原理，金属氟化物在水溶液及活体内会释放出金属离子和氟离子，这一过程不仅会对其结构和功能造成影响，释放出的金属离子还会带来潜在的生物安全问题。尽管对于绝大多数的生物应用而言，金属氟化物的溶解是不希望发生的，作者注意到，金属氟化物的溶解产物氟离子作为一种经典的脱硅反应试剂，可用于高效的硅醚脱除反应，进而构建出基于金属氟化物的活体剪切化学体系。
       为了实现这个想法，作者合成了六种经典的金属氟化物，利用硅醚保护的罗丹明衍生物评估了不同金属氟化物的脱硅释放能力。荧光动力学结果显示，脱硅反应速率高度依赖于氟离子的平衡浓度，顺序为BaF2 > SrF2 >CaF2≈NaYF4@CaF2> NaYF4 > LaF3。综合考虑脱硅反应速率和金属离子的毒性，作者选用了CaF2用于后续实验。
       为了进一步提高生物相容性，作者合成了聚乙二醇修饰的CaF2纳米晶，利用透射电镜和氟离子计监测了CaF2纳米晶在水溶液中的溶解过程，证明CaF2纳米晶可用作快速释放氟离子的生物材料，并成功实现细胞水平上荧光分子的释放。作者还设计了基于硅醚保护的多肽偶联药物，在CaF2纳米晶的激活下，化疗药物得到释放，有效地抑制了肿瘤的生长。
       综上，该工作开发了新型的活体硅烷脱除反应工具，拓展了金属氟化物纳米晶材料的生物医学功能，并为设计更有价值的无机-有机前药带来了新的启发。
      北京大学化学与分子工程学院的博士研究生段东斑为该文的第一作者，刘志博老师为通讯作者。北京大学孙聆东教授，博士后董浩和研究生杜平为该工作做出了重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、化学与分子工程学院、北京分子科学国家研究中心、北大-清华生命科学联合中心以及北京天坛医院的资助。
       原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c10399


       文章来源：北京大学
       刘志博，博士，北京大学教授。1989年生于山东聊城。2010年于南京大学取得学士学位， 随即前往英属哥伦比亚大学攻读博士学位。在博士期间，专攻放射化学方向，同时受教于英属哥伦比亚大学化学系David M. Perrin教授，英属哥伦比亚肿瘤中心Kuo-Shyan Lin教授以及TRIUMF原子能国家实验室Thomas Ruth教授，发展了以三氟化硼基团为基础的18F放射性标记平台，发表了包括Angewandte Chemie （封面文章），Journal of Nuclear Medicine（2014年度最佳文章）在内的第一作者文章十余篇，先后获Boehringer Ingelheim奖学金、 Alavi-Mandell 奖、Edward Piers纪念奖和中国政府颁发的“国家自费留学生奖学金”，并在2014年获得博士学位。随后，刘志博博士前往美国国立卫生研究院，加入Xiaoyuan Chen教授实验室进行博士后研究。在那里，原创性地设计并发展了一类全新的化合物——硼胺酸，并将其成功应用在了癌症的精准诊断当中（Science Advances, 2015;1:e1500694）。因在18F-硼胺酸上的贡献，刘志博博士于2015年获得了Michael J. Welch博士后奖，该奖每年颁发一人，是美国核医学与分子影像学会对博士后研究员的最高荣誉之一。同年，通过与北京协和医院的合作，成功地将三氟化硼18F标记法进行了临床转化，并将18F-硼胺酸成功地应用在了脑瘤的早期诊断上。2016年4月，刘志博博士先后通过了北京大学化学与分子工程学院（CCME）和北大-清华生命联合中心（CLS）的面试，并于2016年7月正式入职北京大学。