奈米材料已經在感測、成像、組學分析和癌症診療等領域中得到廣泛的應用。特別是量子點、上轉換材料、等離激元奈米材料和磁性奈米材料等很多奈米材料由於具有獨特的物理響應，能提供高靈敏度的檢測訊號。然而，這些奈米材料本身缺乏分子識別的能力，其對靶標的識別往往需要利用抗體、凝集素和適配體等生物識別分子對其表面進行功能化。由於這些生物識別分子與奈米材料存在結構和穩定性上的顯著差異，這樣的表面功能化所賦予的效能往往不甚理想。一個比較理想的解決方案似乎是直接在基底奈米材料的表面透過合理設計和可控合成構建分子識別的功能化材料層。基於此，分子印跡應該是一個最佳的解決方案。
分子印跡是在模板存在的情況下引發功能單體和交聯劑的聚合的仿生識別材料製備技術；在除去模板後，得到具有在形狀、大小和功能基團與模板相互補的印跡空腔的聚合物。近年來，我校化學化工學院生命分析國家重點實驗室劉震教授團隊已經發展出多個新穎、通用、高效的分子印跡方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52: 7451; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54: 10211; Nat. Protocol. 2017, 12: 964; Chem Sci. 2019, 10: 1831），製備出系列蛋白質及其翻譯後修飾的仿生識別材料，獲得了逼近單克隆抗體和超越於凝集素的分子識別效能，已經應用於親和分離(Anal. Chem. 2018, 90: 9845; Anal. Chem. 2016, 88: 1447)、疾病診斷(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53: 10386)、單細胞分析(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55: 13215.)和癌症治療(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58: 10621; Angew. Chem. Int. Ed.2021,60, 2663-2667; ACS Nano, 2021, DOI:10.1021/acsnano.1c07166)等重要領域。
分子印跡技術領域一直存在一個瓶頸問題：為了獲得最佳的分子識別效能，需要對功能單體的配比進行最佳化，但在最佳配比下所得的分子印跡聚合物（MIP）常常無法同時得到最強的親和力和最高的特異性，而是這兩者間的折中。我校劉震教授團隊近期提出了先進分子印跡策略—分子印跡和包覆（MIC）（Sci. Bull. 2021, DOI: doi.org/10.1016/j.scib.2021.10.006），所得分子印跡及包覆聚合物（cMIP）同時具備最強的親和力和最高的特異性，有效地解決了這一長期困擾分子印跡技術的瓶頸問題。在該策略的基礎上，近日，該團隊報道了一種稱為基於反向微乳液的可控表面印跡（ROSIC）的新方法，不僅能對各種奈米材料表面進行仿生分子識別功能化，也能製備無核的分子印跡奈米球，所得材料具有優異的分子識別效能。該技術透過反向微乳液體系體系控制印跡材料的尺寸，並將印跡模板約束在微乳液-水相介面，利用在印跡的過程中水解的矽烷單體會參與奈米材料的表面配體交換，促進將奈米材料引入反向微乳液體系的水相，從而實現對各種奈米材料的表面可控功能化，並在印跡後在非印跡區域精準可控地包覆非特異吸附力若的包覆層。該策略是高效、通用和可控的技術，能製備出識別各種各樣的蛋白質及其糖基化和磷酸化等翻譯後修飾的奈米材料。該技術可與各種先進奈米技術相結合，在生物感測和生物醫學等重要應用領域中具有良好的應用前景。
圖1. 奈米材料的表面可控分子印跡
圖2. 印跡條件的最佳化
圖3. 在肽段和蛋白水平的特異性考察
透過選擇量子點、磁性奈米材料、銀奈米材料和上轉換奈米材料為代表，作者實現了對各種奈米材料表面進行仿生分子識別功能化的可控分子印跡，製備出了一系列具有單一核心、且尺寸可控的多功能分子印跡及包覆聚合物。作者隨後對這種功能化策略的機理進行了深入探討。
圖4. 奈米材料的表面可控分子印跡
為了證明製備的核-殼cMIP在生物醫學應用中的潛力，作者製備了單個量子點為核心的分子印跡及包覆聚合物(QD@cMIP NPs)，針對兩種典型的癌症生物標誌物，包括人類表皮生長因子受體-2(HER2)和跨膜糖蛋白非轉移基因B(GPNMB)，進行靶向識別，並透過共聚焦熒光成像實現了三陰性乳腺癌(TNBC)細胞與其他乳腺癌細胞系的區分。
圖5. 人乳腺癌細胞熒光共聚焦成像。
最後，作者透過對荷瘤小鼠模型進行體內靶向成像，進一步證明了其實際應用價值。
圖6. 活體成像
綜上所述，該工作所提出的ROSIC策略可以成功用於奈米材料的表面可控分子印跡，實現對肽段和蛋白的靶向。印跡過程所需的模板可以很容易地透過固相合成獲得，避免了模板昂貴和難以製備等問題。此外，這種方法可用於靶向其它具有生物學意義的化合物，如聚糖。因此，本研究為具有靶向能力的先進奈米材料的設計和功能化開闢了新的途徑，在生物醫學應用中具有廣闊的前景。
這一成果近期發表在Advanced Science上，文章的第一作者是博士研究生郭展辰，劉震教授為論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金重點專案和南京大學卓越計劃的經費資助。
論文資訊：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202101713
Controllable Engineering and Functionalizing of Nanoparticles for Targeting Specific Proteins towards Biomedical Applications
Zhanchen Guo, Rongrong Xing, Menghuan Zhao, Ying Li, Haifeng Lu, and Zhen Liu *
Advanced Science 2021, DOI: 10.1002/advs.202101713
