Nature：HOF，新玩法！
纳米技术
2025-02-27
通过非侵入式的超声方式进行精切控制深层组织的机械化学活化，对于深入理解基础生物医学以及改变疾病治疗的方法意义深远。但是目前还没有开发一种具有超声激活的理论指导的机械响应材料体系。有鉴于此，德州大学奥斯汀分校助理教授王辉亮、德州大学圣安东尼奥分校陈邦林教授等报道了通过聚焦超声FUS（focused ultrasound）程序控制策略，对氢键有机框架材料（HOF）控制激活药物，通过按照需要的方式切断超分子相互作用，实现控制深部大脑内的特定细胞事件。开发了一种理论模型，能够对机械切断和超声机械力学进行可视化的成像观测，因此能够提供具有价值的指导用于理性设计可编程控制的机械响应材料。为了验证这种方法的有效性，设计将药物分子氯氮平CNO（clozapine N-oxide）组装到HOF纳米晶体内，通过FUS控制释放药物分子，激活小鼠和大鼠VTA区域的工程化G蛋白偶联受体，能够对9 mm深层的靶向神经回路进行调控，仅仅延迟数秒。 这项工作展示了超声能够精确的控制分子之间相互作用，用于开发超声编程HOFs用于非侵入式和时间空间分辨的细胞事件控制，因此有助于实现精确分子治疗。这项工作研究了HOF纳米晶体作为机械响应平台的前景，展示了HOF材料能够通过超声编程并且进行调控HOF骨架结构的方式选择性的激活（图1a）。这项工作选择氢键和芳环密度不同的四种OMBUs（有机分子结构单元，organic molecular building units），合成了四种多孔HOF纳米晶体，HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102（图1b）。合成使用沉淀法，通过动态光散射（DLS）和TEM表征验证得到HOF纳米晶体。测试结果表明HOF的尺寸为250-500 nm，多分散指数为0.2-0.3。在HOF-101和HOF-102中，含有四个羧酸的OMBUs形成了方形拓扑层状结构。通过π-π堆叠，相邻的2D方形层形成含有1D菱形通道的3D晶体（图1b）。通过粉末XRD表征验证了HOF-BTB、HOF-101、HOF-102的晶体结构。 HOF-TATB是之前未曾报道的新型结构，因此通过微晶体电子衍射（microED）确定其结构。HOF-TATB内的H3TATB OMBUs通过氢键和π-π堆叠，自组装形成双重互穿3D氢键(3,4)-网状结构。当去除客体分子甲醇，HOF-TATB沿着b轴方向呈1D通道结构，通道的尺寸为12.2×23.9 Å，晶体内的溶剂可及比例达到50.3 %，这个结果表明HOF-TATB具有优异的载药应用前景。通过粉末XRD表征，HOF-TATB纳米晶体晶体的纯度，并且具有长达1周的水解稳定性。通过77 K的氮气吸附实验和195 K的二氧化碳吸附实验，验证四种HOF都具有多孔结构。测试超声切断溶液相中的HOF纳米晶体。测试超声处理过程中，不同时间的骨架切断程度（图2a-d）。在超声作用下，OMBUs从HOFs中切断并溶解，离心得到的上层清液确认含有溶解的OMBUs，通过UV-Vis光谱表征计算超声处理过程中OMBUs切断的比例。表征的结果表明，不同结构的HOF在超声处理过程中达到特征性的解离平衡。 在1.5 MHz的超声波和8.04 MPa的功率下，HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102的平衡解离分别达到91.8%，45.3%，11.6%，4.7%。这个结果表明超声驱动HOF解离是热力学过程。但是，在100 ℃加热5 min后，没有发现HOF产生解离，说明这些HOF具有非常高的热稳定性。因此，打破分子间非共价化学键并且导致骨架解离的驱动力来自超声而非热量。HOFs材料展示了优异的超声编程机械活化性能，只有当超声功率达到一定的数值才可能激活HOF，超声能量的阈值与OMBUs有关（图2a-d）。超声驱动HOF解离以及编程解离机理。通过DFT理论计算研究HOFs的结构-性质关系，计算内聚能（Ecohesive），结果表明溶液中的HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102的内聚能从低到高，因此这些HOFs的稳定性逐渐增加（图2e）。在超声驱动HOF解离过程中，超声场能够影响反应的自由能，因此In(k)随着超声功率的改变而变化（k，HOF的解离平衡常数）。反应建模的结果表明ln(k)与Ecohesive之间具有线性关系，因此能够推测不同ln(k)时所需的最低Ecohesive。此外，本研究发现最小Ecohesive与超声峰值压力（EUS）之间具有线性关系。通过ln(k)与Ecohesive以及Ecohesive与EUS之间的现象关系，开发了三变量模型，解释这些变量之间的关系。通过图2f热图能够预测在特定的超声功率，HOF解离所需的Ecohesive，因此为设计超声驱动药物活化HOF提供指导。通过模型，能够预测HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102所需的理论超声功率的阈值分别为0.07，0.82，4.55，7.33 MPa（图2e）。其中，当OMBU的氢键数量增加，能够显著增强HOF纳米晶体的超声稳定性。总之，机械化学键解离更容易对弱键构成的骨架进行解离，因此对于含有的氢键数量更少、畴环芳香骨架结构更少的HOF具有更高的超声敏感性。 这些HOF表现了优异的药物担载量。担载量分别为HOF-TATB (15.1 ± 1.4%)，HOF-BTB (15.8 ± 2.7%)，HOF-101 (27.0 ± 1.5%)，HOF-102 (29.8 ± 1.3%)。这种高药物担载量能够减少输送药物载体的用量，因此最大化的减少可能的副作用。通过染料分子释放实验，测试没有超声处理时的HOF纳米晶体自由药物释放情况（图2g）。结果表明，当没有超声能量，HOF-TATB在3天后释放的量只有5.5 ± 0.1%。由于Ecohesive更高，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102释放的染料分子更少，分别为1.9 ± 0.9%，1.2 ± 0.2%，0.1 ± 0.1%。超声药物释放实验结果同样表明，Ecohesive更低或者超声功率增加，具有更高的释放量（图2h,i），结果与理论预测相符（图2f）。 图3. 超声控制HOF-TATB纳米晶释放药物分子以及体外调控神经活动HOF-TATB纳米晶体对超声最敏感，具有最低的超声功率激活药物释放，并且具有最合适的时间分辨率。HOF-102纳米晶体的稳定性最高，药物担载量最高。为了对深层大脑实现高分辨率的超声控制释放，采用HOF-TATB以尽量的减少超声功率。在担载药物后，HOF-TATB纳米晶体的粒径和形貌没有变化（图3a）。测试发现能够在临床安全范围内的超声功率（1.5 MHz，1.5 MPa）释放药物，并且没有超声的情况下不会产生药物释放（图3b）。超声活化阈值为0.51 MPa，随着超声功率增加，释放的分子增加（图3c）。此外，通过10 s脉冲的重复性刺激，HOF-TATB能够重复性的释放染料分子，因此能够以四种不同的量释放，分别为10.2 ± 1.3%，5.0 ± 3.0%，6.5 ± 5.2%，10.0 ± 4.4%（图3d）。此外，HOF展示了作为一种普适性的超声编程药物递送体系，通过超声编程激活释放各种药物。比如，去氯氯氮平（deschloroclozapine，一种具有前景的遗传药物）、多巴胺（dopamine，重要的神经递质，与帕金森病的成瘾和治疗有关）、普鲁卡因（procaine，一种止疼剂）都能够担载到HOF中，分别实现9.7 ± 0.9 wt%，7.8 ± 0.5 wt%，4.8 ± 1.2 wt%的担载量，并且能够通过超声实现按需释放。通过溶血测试（haemolysis）和细胞活力测试（cell viability tests），验证HOF-TATB没有表现毒性或者溶血性，因此具有生物安全性。这个结果表明HOF-TATB纳米晶能够作为普适性的生物兼容性和生物安全的药物递送平台。 化学遗传学（Chemogenetics）使用工程G-蛋白偶联受体用于激活特定药物结合的神经元，因此这种方式具有独特的长期神经调节能力，而且比光遗传学相比具有最小的致免疫性。传统的化学遗传学技术通常受限于脱靶问题，并且因为药代动力学导致的时间分辨率较低。为了解决这些困难与挑战，这项研究能够精确的激活设计药物分子CNO，因此实现对深部脑区实现高时间分辨率。使用HOF-TATB纳米晶体担载CNO药物分子，随后超声激活释放CNO药物，激活神经元内由设计药物激活的受体（图3e）。精确的定时激活靶向神经元对于研究大脑活动与行为之间的关系非常关键。因此，通过光纤测量法（fibre photometry）评估超声-化学遗传学对小鼠的中脑腹侧被盖区（VTA）的神经元进行实时激活的性质（VTA区域是非常重要的调节奖励学习和抑郁的区域）。使用1.4 MPa的超声功率能够在VTA区域产生0.9 MPa的超声功率，这个能量足以激活释放CNO（图3c）。对VTA区域的神经元使用病毒进行单侧神经转导，随后第4周后仍然在相同区域注射TATB@CNO（图4a,b）。结果表明，通过对VTA区域施加超声，发现成功的产生激活（图4c,d）。超声-化学遗传学方法表现高时间分辨率，超声刺激3.5 s延迟后激活神经（图4e）。此外，通过控制实验验证超声处理和TATB@CNO纳米晶体激活VTA的神经（图4f,g）。基于对VTA观测发现的神经激活，测试了超声-化学遗传学方法调节小鼠奖励学习行为的能力（图4h），测试小鼠强迫游泳实验的影响（图4l）。图4. 超声化学遗传学（sono-chemogenetic）体内刺激小鼠深部脑图5. 超声化学遗传学（sono-chemogenetic）体内刺激大鼠深部脑 除了测试小鼠之外，对大鼠同样进行体内超声-化学遗传学脑深部刺激测试（图5）。因为小鼠更小，更便宜，有更多研究类型。大鼠具有更厚的头骨，更大的脑组织，因此更符合临床的需求。对大鼠的测试结果表明，超声-化学遗传学能够对大鼠的大脑深部进刺激，而且通过非侵入式刺激深层大脑，能够有效的调节奖励-学习行为。这项工作展示了超声激活的HOF材料体系，通过超声控制分子化学结构之间的相互作用，实现了分子尺度精确调控相互作用。HOF作为具有弱分子间氢键和弱π-π相互作用的3D多孔骨架材料，使得具有溶液相可调控的稳定性，较高的分子担载量，超声控制HOF解离的能力。超声能量作为驱动力能够进行编程，设计分子内的非共价键剪切力，因此实现了机械力学活化。通过调节氢键的密度和畴环芳烃的数量，发展了能够解释HOF的结构和功能之间关系的理论模型，为按需和编程进行理性和精确的HOF设计提供可能。由于HOF材料具有的以上优势，打开了通过超声进行时间分辨激活且编程激活药物，为非侵入式神经控制和医疗诊疗技术提供机会，比如化学遗传学调控神经回路。通过调节HOF纳米晶体对超声的敏感度，成功的实现了小鼠和大鼠的深层脑神经回路在数秒内的时间空间分辨率控制。这个研究结果表明超声处理HOF能够实现时间分辨和长期性的神经调控的超声-化学遗传学，而且能够尽量减少侵入式危害。这项研究将超声HOF技术能够将药物担载、生物稳定性、低致免疫性、超声编程结合，因此达到非侵入式的精确医疗。超声HOF技术能够以按照设计的灵敏度和分辨率释放不同类型的分子。因此能够精确和非侵入的控制深层组织的各种细胞事件。这项工作作为一种精确的非侵入式分子控制技术，有可能应用于可编程分子机器人用于深层组织细胞事件的复杂控制。 Wang, W., Shi, Y., Chai, W. et al. H-bonded organic frameworks as ultrasound-programmable delivery platform. Nature (2025).DOI: 10.1038/s41586-024-08401-0https://www.nature.com/articles/s41586-024-08401-0
