张良方教授课题组2019年研究成果集锦

NanoLabs

2020-02-25

奇物论联合纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是加州大学圣地亚哥分校张良方教授课题组。

张良方教授课题组主要致力于研究仿生纳米药物的研究，尤其是在创建和评价纳米结构生物材料的药物输送、解毒和疫苗接种治疗感染性疾病和癌症。

课题组主要研究内容为：

1、仿生纳米给药 

2、纳米海绵

3、纳米疫苗

下面，我们简要总结了张良方教授课题组2019年部分研究成果，供大家交流学习。

1）由于相关论文数量较多，本文仅限于通讯作者文章（不包括序言、短篇评述等），以online时间为准。

2）由于学术有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。

3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。

以下分为四个方面展开：

Part Ⅰ 微纳米马达

Part Ⅱ 纳米海绵与抗菌

Part Ⅲ 综述

Part Ⅳ 其他

Part Ⅰ 微纳米马达

1. AM: 巨噬细胞-镁混合生物马达

基于镁（Mg）的微型马达与活巨噬细胞（MΦ）结合，形成了独特的MΦ–Mg生物混合马达系统。所得的生物马达具有源自Mg微型马达的快速推进能力以及由活MΦ细胞提供的生物学功能。有鉴于此，加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang和张良方等人制备了一种生物混合微型马达。为了制备生物混合马达，将涂有二氧化钛和聚（L-赖氨酸）（PLL）层的Mg微粒与活MΦ细胞在低温下孵育。这种生物混合马达的形成取决于MΦs和Mg颗粒的相对大小，其中MΦ吞噬小于5 µm的Mg颗粒。

实验结果和数值模拟表明，MΦ–Mg马达的运动由Mg微马达的尺寸和MΦ在附着过程中的位置决定。MΦ–Mg马达还具有与游离MΦ相关的生物学功能，例如内毒素中和。细胞膜染色和毒素中和研究证实了MΦ与Mg微型马达结合后可以保持其生存力和功能性（例如内毒素中和）。这种新的MΦ–Mg马达设计可以扩展到不同类型的活细胞，以完成各种生物学任务。

Zhang, F., Mundaca‐Uribe, R., et al., A Macrophage–Magnesium Hybrid Biomotor: Fabrication and Characterization. Adv. Mater. 2019, 31, 1901828.

https://doi.org/10.1002/adma.201901828

2. ACS nano: 基于纳米马达的胞内氧气运输的主动传输系统

气体分子的主动转运对维持生物体的生理功能至关重要。氧作为最基本的气体分子，在维持细胞新陈代谢和活性中起着重要的作用。基于此，加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang和张良方研究团队报告了一种基于纳米马达的传递系统，该系统结合了声动力金纳米线(Au NW)的快速推进和红细胞膜包裹的全氟碳纳米乳(RBC-PFC)的高携氧能力，用于细胞内氧气的主动运输。主要在超声场下研究了载有RBC-PFC的AuNW纳米马达（Motor-PFC）的氧传输能力和动力学特征。

具体而言，Motor-PFC在声场下的快速运动加速了J774巨噬细胞的胞内氧气运输。进入细胞后，Motor-PFC中负载的氧气会持续释放，可在缺氧条件下维持细胞活性。与游离RBC-PFC或被动Motor-PFC相比，声动力Motor-PFC可在72h内显著提高细胞活性（84.4%）（游离RBC-PFC为44.4%，被动Motor-PFC为32.7%）。实验结果表明，Motor-PFC可作为高效的运输载体用于胞内氧气的主动运输。尽管此项研究中仅使用氧气作为模型气体分子，但Motor-PFC平台可以轻易扩展到将其他气体分子主动输送到各种靶细胞。

Fangyu Zhang, Liangfang Zhang, Joseph Wang, et al. A Nanomotor-Based Active Delivery System for Intracellular Oxygen Transport. ACS nano, 2019.

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06127

3. Nano Lett：主动运输矿物质微马达治疗缺铁性贫血

缺铁是最常见的营养失调，是严重的公共健康问题，对身心发展有着重大影响。然而，铁的生物利用率低和不良的副作用常常会降低治疗效果。于此，加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang和张良方等人报道了基于镁基微马达的主动矿物质输送工具的发展，这种马达可以在胃肠道体液中自动推进，有助于矿物质的动态输送。在微马达平台中，铁和硒常作为模型矿物荷载组合。

实验证明，在治疗30天后，在贫血小鼠模型中此负载矿物质的微马达仍具有补充铁和硒的能力，使红细胞计数、血红蛋白和红细胞比容等血液学参数正常化。此外，在此治疗方案中微马达平台无任何毒性。这项概念验证研究表明，基于微马达的矿物质补充剂的主动输送是缓解营养不足的有效方法。

Emil Karshalev, Liangfang Zhang, Joseph Wang, et al. Micromotors for Active Delivery of Minerals toward the Treatment of Iron Deficiency Anemia. Nano Lett., 2019.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02832

另外：

Part Ⅱ 纳米海绵与抗菌

4. ACS Nano：细胞膜油纳米海绵可实现双模式排毒

缺乏用于致命毒物的解毒剂，已引起广泛关注，以寻求合成的纳米清除剂来吸收和中和有害的生物或化学试剂。于此，张良方教授等人报道了一种具有双重模式解毒功能的细胞膜包裹的油纳米海绵制剂。仿生油纳米海绵由由一个橄榄油纳米液滴和一个红细胞膜包裹而成。其中，油核可以通过物理隔离非特异性地吸收毒物，而细胞膜壳可以通过生物结合特异性地吸收和中和毒物。

使用三种不同的有机磷（OPs，包括对氧磷、氟磷酸二异丙酯和敌敌畏）验证了油纳米海绵的双重模式解毒能力。OPs通过抑制乙酰胆碱酯酶，引起乙酰胆碱的积累，从而导致神经肌肉疾病甚至死亡。在OP中毒的小鼠模型中，油纳米海绵减轻了OP中毒的临床体征，降低了组织中OP的浓度，并大大提高了治疗方案和预防方案中的小鼠存活率。总体而言，油纳米海绵结合了细胞膜和油纳米液滴的优点，可实现安全有效的排毒，也可以作为多模式解毒平台的原型。

Yijie Chen, Yue Zhang, Jia Zhuang, Joo Hee Lee, et al., Cell-Membrane-Cloaked Oil Nanosponges Enable Dual-Modal Detoxification. ACS Nano 2019 13 (6), 7209-7215

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02773

5. Small：仿生纳米海绵用于抑制全分泌致病蛋白细菌产生的体内杀伤性

包裹完整红细胞膜的聚合物纳米颗粒可作为一种仿生纳米海绵(RBC-NS)去吸收和中和与许多细菌感染相关的细菌毒性因子。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的全分泌蛋白(wSP)在小鼠体内可以诱导产生致死性。wSP不仅保持了细菌毒性的复杂性，同时也解决了活细菌感染的复杂性和动态性问题。

张良方教授等人分析了RBC-NS对MRSAwSP的体外中和能力。通过小鼠模型的体内研究进一步证明， RBC-NS可显著降低wSP诱导的致死率。此外，当小鼠服用亚致死剂量的MRSA上清液时，RBC-NS也可减少肺损伤并抑制脾脏核转录因子kappa B的活化。这些结果也为RBC-NS治疗MRSA感染(如MRSA菌血症和MRSA诱导的败血症)提供了系统的评价。

Chen Y J, Zhang Y, et al. Biomimetic Nanosponges Suppress In Vivo Lethality Induced by the Whole Secreted Proteins of Pathogenic Bacteria[J]. Small, 2019.

https://doi.org/10.1002/smll.201804994

6. Angew：细菌外膜包裹纳米粒抑制病原菌粘附

抗粘附疗法会干扰细菌与宿主的粘附，从而避免直接破坏细菌的杀灭周期，这可能会减缓耐药性的发展。于此，加州大学圣地亚哥分校张良方教授等人通过用细菌外膜包裹合成聚合物核，制备了一种抗粘附纳米药物平台。由此产生的仿细菌纳米颗粒（OM-NPs）与源细菌竞争以结合宿主。

“自上而下”制造的OM-NPs避免了粘附素的识别，并绕过了针对这些粘附素的激动剂的设计。在本研究中，OM-NPs是由幽门螺杆菌膜制成的，并显示与胃上皮细胞（AGS细胞）结合。用OM-NPs治疗AGS细胞可降低幽门螺杆菌的粘附力，这种抗粘附作用取决于OM-NP浓度及其给药顺序。

Y. Zhang, Y. Chen, et al., Inhibition of Pathogen Adhesion by Bacterial Outer Membrane‐Coated Nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11404.

https://doi.org/10.1002/anie.201906280

7. Nano Lett.：多抗原纳米类毒素用于对抗耐药革兰氏阴性细菌

由耐多药的革兰阴性菌引起的感染已成为全球公共卫生所面临的一项重大威胁。加州大学圣地亚哥分校Ronnie H. Fang和张良方教授等人报道了一种基于巨噬细胞膜包裹的纳米颗粒的多抗原纳米类毒素疫苗，该疫苗可诱导对致病性铜绿假单胞菌的强免疫反应。这种仿生纳米疫苗的设计利用了巨噬细胞在清除病原体中的特殊作用以及它们对细菌分泌的各种毒性因子的天然亲和力。

结果表明，巨噬细胞纳米类毒素能有效表达铜绿假单胞菌抗原，其体外和体内的安全性也得到了充分的证实。当通过不同的给药途径给肺炎模型小鼠接种疫苗时，该纳米类毒素能够激发强大的体液免疫反应来对抗炎症感染。这一工作也为利用仿生纳米技术设计安全的、多抗原抗病毒疫苗以及应用这些纳米疫苗预防耐多药革兰氏阴性感染提供了新的策略。

Xiaoli Wei, Danni Ran, Ronnie H. Fang, Liangfang Zhang. et al. Multiantigenic Nanotoxoids for Antivirulence Vaccination against Antibiotic-Resistant Gram-Negative Bacteria. Nano Letters. 2019

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01844

另外：

Part Ⅲ 综述

8. AM综述：仿生纳米技术用于构建个性化疫苗

虽然现代医学为治疗很多传统疾病带来了新的希望，但在目前的现状基础上还可以有很大的改进空间。例如一些传染病，具有抗生素耐药性的超级病原体对大多数目前临床批准的药物已经没有反应。而在癌症治疗领域，设计“灵丹妙药”的想法也早已被人们抛弃。因此，越来越多的人提倡个性化治疗，即根据患者的具体情况制定医疗保健计划。而开发针对细菌和肿瘤的疫苗则是一种很好的体现个性化治疗的方案。接种有效的疫苗可以帮助解决许多具有挑战性的疾病，但目前的疫苗仍受到效力不足和抗原广度等因素的限制。最近，一些研究人员开始使用仿生纳米技术来解决这些障碍。加州大学圣地亚哥分校Ronnie H. Fang教授和张良方教授等人综述了近年来仿生纳米疫苗在抗菌和抗癌方面的研究进展，并着重介绍了其在个体化治疗方面的应用潜力。

Jiarong Zhou, Ronnie H. Fang, Liangfang Zhang. et al. Biomimetic Nanotechnology toward Personalized Vaccines. Advanced Materials. 2019

https://doi.org/10.1002/adma.201901255

9. Nanoscale Horizons：纳米仿生技术用于心血管疾病的诊疗

心血管疾病(CVD)包括许多会影响心脏和血管的疾病，是现代医疗所面临的一大重要挑战。研究表明，由近三分之一的人患有不同形式的CVD，其中许多人还患有多种相互影响的疾病，最终往往导致心脏病发作或中风等严重后果。即使在发达国家，心血管疾病也仍然是导致死亡的主要原因之一。

最近，许多研究人员探索了利用纳米技术以对目前临床治疗CVD的策略进行改进。纳米级给药系统具有许多优点，包括可靶向病变部位、提高药物生物利用度和递送多功能载荷的能力等等。加州大学圣地亚哥分校Ronnie H. Fang和张良方教授等人综述了纳米材料技术在CVD诊疗领域中的应用，对开发具有增强功能的新型仿生平台进行了详细的讨论。

Joon Ho Park, Diana Dehaini, Ronnie H. Fang, Liangfang Zhang. et al. Biomimetic nanoparticle technology for cardiovascular disease detection and treatment. Nanoscale Horizons. 2019

https://doi.org/10.1039/C9NH00291J

另外：

Part Ⅳ 其他

10. ACS Nano：配体修饰的细胞膜辅助药物纳米晶体靶向胶质瘤

安全有效地递送化疗药物是化疗抗癌的关键。复旦大学陆伟跃教授团队和加州大学圣地亚哥分校张良方教授团队合作制备了一种基于配体修饰的细胞膜和药物纳米晶体(NCs)的靶向药物递送系统。实验利用红细胞（RBC）膜去包裹药物纳米晶体NCs得到RBC-NCs，其具有高载药量、高的长期稳定性、良好的生物相容性和较长的循环时间，适合用于进行有效的药物递送。而经肿瘤靶向肽c(RGDyK)修饰后的RGD-RBC-NCs对皮下肿瘤小鼠和原位胶质瘤均有较好的肿瘤积累和治疗效果。

Zhilan Chai, Liangfang Zhang, Weiyue Lu. et al. Ligand-Modified Cell Membrane Enables Targeted Delivery of Drug Nanocrystals to Glioma. ACS Nano. 2019

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.9b00661

11. ACS Nano：生物膜修饰场效应晶体管用于检测生物毒素和病原体

利用复杂的、动态的和未知的分子特征来检测生物活性靶点的工作激发了各种生物传感器平台的发展。于此，加州大学张良方和Sheng Xu等人报道了细胞膜修饰场效应晶体管（FET）作为一种基于功能的纳米传感器，用于检测和定量测量多种毒素和生物样品。通过用天然红细胞膜包覆碳纳米管FET，所得到的仿生纳米传感器无论其分子结构如何，都能选择性地与广谱溶血毒素相互作用和吸收。

毒素-生物膜相互作用以超灵敏和浓度依赖的方式改变FET表面的局部电荷分布，毒素与生物膜的相互作用以超灵敏和浓度依赖性的方式改变了FET表面的局部电荷分布，从而导致检测限降至飞摩尔（fM）范围。通过传感器的内置校准机制可以进行准确和定量的测量，克服了批次之间的制造差异，并使用三种不同的毒素和各种复杂的细菌上清液进行了演示。细菌分泌蛋白的测量信号与实际细菌数量线性相关，这使生物传感器成为一种非传统方法，可以快速检测细菌浓度而无需计算细菌菌落。

Hua Gong, Fang Chen, et al., Biomembrane-Modified Field Effect Transistors for Sensitive and Quantitative Detection of Biological Toxins and Pathogens. ACS Nano 2019 13 (3), 3714-3722

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00911

另外，还有一些张良方教授其他成果不在此一一列举，感兴趣的读者可前往课题组网站进行学习。

课题组网站：http://nano.ucsd.edu/~l7zhang/index.php

张良方教授简介

张良方，2002年进入美国伊利诺伊大学香槟分校化工系，在Steve Granick教授的指导下攻读博士学位。2006~2008年加入麻省理工学院化工系，在Robert Langer教授的研究组进行博士后工作。2008年7月，加入加州大学圣地亚哥分校纳米工程系任助理教授，于2012年3月晋升为终身副教授，2014年7月晋升为终身正教授。

2009年获得美国化学会的Victor K. LaMer奖；2013年被《麻省理工学院技术商评》杂志评为“2013年度世界最杰出青年创新专家”；2014年获美国化学工程师学会的Allan P. Colburn奖；2015年入选美国医学和生物工程学会会士。

（注：以上简介及文中海报整理自网络及张良方教授课题组网站）