Nature Nanotech等10篇子刊丨Mirkin、陈小元、赵选贺、张良方、杨黄浩、袁广银、Anderson等人成果集锦
奇物论
本次周刊集合了上周关于纳米医学、生物材料和可穿戴与器件三大领域的精选日报，供大家参考和交流！
纳米医学
本周纳米医学周刊涉及荧光探针、肿瘤诊疗和催化医学等诸多领域，供大家参考和交流！
编辑部推荐阅读：
1. 陈小元等JACS：生物催化剂用于级联反应驱动的光动力疗法
2. 张良方Science子刊：血小板膜包裹MOF纳米粒体内靶向基因沉默
3. 杨黄浩/宋继彬等ACS Nano：双响应囊泡NIR-II光声成像引导化疗免疫治疗
1. JACS：生物催化剂用于级联反应驱动的光动力疗法
活细胞中的生物催化反应涉及空间受限的微环境中的复杂转化。受生物转化过程的启发，美国国立卫生研究院陈小元、浙江大学黄品同和中国药科大学Wenpei Fan等人通过将人工酶（超小的Au纳米颗粒）与上转换纳米颗粒（NaYF4@NaYb0.92F4：Er0.08@NaYF4）锆/铁卟啉金属-有机骨架核-壳纳米颗粒（UMOFNPs）整合在一起作为生物催化剂和纳米反应器，证明了荷瘤小鼠中有效的生物催化级联驱动的光动力学疗法。
LiangcanHe, et al. Solvent-Assisted Self-Assembly of a Metal–Organic Framework BasedBiocatalyst for Cascade Reaction Driven Photodynamic Therapy. Journal of theAmerican Chemical Society 2020.
DOI:10.1021/jacs.0c02497
https://doi.org/10.1021/jacs.0c02497
2. Nature Nanotech：噬菌体衣壳纳米颗粒可阻止流感病毒进入
生物界面上的多价相互作用在自然界中经常发生，并在基本的生理过程（例如细胞间粘附）中介导识别和相互作用。多价性也是一个关键的原则，允许病原体和宿主细胞之间的紧密结合在感染的最初阶段。预防感染的一个有希望的方法是设计合成或半合成多价粘合剂，以干扰病原体的粘附。于此，德国柏林洪堡大学Christian P. R.Hackenberger、Andreas Herrmann和柏林自由大学Susanne Liese等人提出了一种多价结合剂，该结合剂基于甲型流感病毒的病毒刺突蛋白血凝素配体的空间定义排列。
参考文献：Lauster,D., Klenk, S., Ludwig, K. et al. Phage capsid nanoparticles with defined ligandarrangement block influenza virus entry. Nat. Nanotechnology. (2020).
DOI:10.1038/s41565-020-0660-2
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0660-2
3. ACS Nano：使用金纳米团簇的血管疾病的高分辨率短波红外成像
在过去的几年中，体内红外成像在癌症和心血管诊断领域的潜在应用取得了重大突破。与NIR I（700-900 nm）和可见光区域相比，由于在这些波长下光子吸收弱，自发荧光低以及组织的散射减少，它们能够通过几毫米的距离达到高的时空分辨率。组织，足以通过完整的头骨和缺血性股动脉成像大脑的血液循环。然而，只有少数具有高量子产率（QY），良好的生物相容性和低的器官累积性的SWIR发射造影剂。
尽管已经使用发射SWIR的量子点（QD）进行了体内成像研究，镧系基纳米材料的发射下移，和新型有机供体-受体-供体（D–A–D）型有机荧光团，这些材料仍然有一些缺点。近日，法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Jean-LucColl教授和Xavier Le Guével教授共同合成了具有各向异性表面且包含短二硫醇聚乙二醇化链（AuMHA / TDT）的水溶性，原子精确的金纳米团簇（Au NCs）。
参考文献：ZhixiYu et al. High-Resolution Shortwave Infrared Imaging of Vascular DisordersUsing Gold Nanoclusters. ACS Nano, 2020.
DOI:10.1021/acsnano.0c01174
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c01174
4. ACS Nano：基于CdSe / ZnS量子点荧光共振能量转移的人类中性粒细胞弹性蛋白酶激活的用于肺部疾病的荧光探针
对常见的肺部疾病进行有效的非侵入性诊断的需求不断增长，由于严重的空气污染，这种疾病正在急剧上升。人嗜中性粒细胞弹性蛋白酶（HNE）是高度参与肺炎性疾病和肺癌的典型蛋白酶，是疾病进展的潜在预测因子。目前，由于敏感性和生物相容性的限制，很少有HNE靶向探针可用于体内。近日，华中师范大学的Wen-Chao Yang教授和Guang-Fu Yang教授课题组报道了通过将HNE特异性肽底物，量子点（QDs）和有机染料掺入荧光共振能量转移（FRET）系统中，实现了HNE的体外检测和体内成像。
参考文献：Shi-YuLiu et al. Human Neutrophil Elastase Activated Fluorescent Probe for PulmonaryDiseases Based on Fluorescence Resonance Energy Transfer Using CdSe/ZnS QuantumDots. ACS Nano, 2020.
DOI:10.1021/acsnano.9b09493
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09493
5. Angew：可活化的镧系发光探针用于对活菌中的硝酸还原酶进行时间门控检测
德国FMP的Marc Nazaré和中国医学科学院药物研究所胡海宇报道了一种用于实时门控检测活菌体内硝基还原酶(NTRs)的镧系发光探针。该探针是通过NTR诱导的敏化喹诺酮天线的形成和能量转移到镧系元素中心而被激活的。这种新型的对NTR响应的探针在失活状态下是无荧光的，而在被激活时则具有很大的信号增强效果。
参考文献：BenjaminBrennecke. et al. An Activatable Lanthanide Luminescent Probe for Time-GatedDetection of Nitroreductase in Live Bacteria. Angewandte Chemie InternationalEdition. 2020
DOI:10.1002/anie.202002391
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002391
6. ACS Nano：肾可清除的准无定形和层级Fe2O3超粒子用于MRI
探索具有优异性能和高生物安全性的磁共振成像（MRI）试剂对于基础科学研究和生物医学应用都具有重要意义。在这项研究中，安徽师范大学夏云生教授等人提出单分散Fe2O3纳米粒子（SPs）可以作为T1加权MRI试剂，它不仅在肿瘤微环境中具有明显的off-on MRI开关，而且由于其准无定形结构和分层拓扑设计而易于从生物体中排出。
Mingrou Ma, et al.Quasi-amorphous and Hierarchical Fe2O3 Supraparticles: Active T1-WeightedMagnetic Resonance Imaging in Vivo and Renal Clearance. ACS Nano 2020.
DOI:10.1021/acsnano.9b08570
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b08570
7. ACS Nano：生物响应性等离子体组件用于NIR-II窗口光声成像引导的同步化疗免疫治疗
常规抗癌疗法，如化疗和放疗的临床疗效受耐药性、全身毒性和实体肿瘤缺氧性质的限制，对远处肿瘤的生长和转移无效。基于此，福州大学杨黄浩、宋继彬，中科院长春应化研究所李占伟等人开发了双生物响应性纳米间隙金纳米粒子囊泡，负载免疫抑制剂并携带抗癌聚合物前药，用于协同抗原发性和转移性肿瘤的同步化疗免疫治疗，同时在第二近红外(NIR-II)窗口通过光声(PA)成像引导载物释放。
参考文献：RongZhu, et al. Biologically Responsive Plasmonic Assemblies for SecondNear-Infrared Window Photoacoustic Imaging-Guided Concurrent Chemo-Immunotherapy.ACS Nano, 2020.
DOI: 10.1021/acsnano.9b07984
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07984
8. Angew：自然杀伤细胞配备双适体，增强实体瘤过继免疫治疗
尽管以自然杀伤(NK)为基础的过继免疫治疗在血液系统恶性肿瘤中取得了成功，但靶向实体瘤的治疗效果仍然有限。在此，福州大学杨黄浩、李娟等人提出了一种适体装备策略，以产生特异性、普适性和通透性(Super)的NK细胞，用于增强实体肿瘤的免疫治疗。
参考文献：DaZhang, et al. Equipping Natural Killer Cells with Specific Targeting andCheckpoint Blocking for Enhanced Adoptive Immunotherapy in Solid Tumors, Angew.Chem. Int. Ed., 2020.
DOI:10.1002/anie.202002145
https://doi.org/10.1002/anie.202002145
9. AFM：设计一种治疗诱导的“免疫原性癌细胞死亡”放大器以促进全身肿瘤的消除
免疫原性癌细胞死亡(ICD)使濒死的癌细胞能够调节宿主的抗肿瘤免疫系统，唤醒免疫监视，正引起全世界的关注。因此，有效激活治疗诱导的ICD，对于提高系统抗肿瘤免疫，清除治疗后/远位癌组织具有重要的临床意义。肿瘤治疗中细胞毒性活性氧(ROS)生成的增强与ICD诱导呈正相关，这启发了治疗诱导ICD放大器的设计。在此，澳大利亚新南威尔士大学Zi Gu、昆士兰大学Zhi Ping Xu等人设计了一种纳米杂化放大器(FeOOH@STA/Cu-LDH)，用于增强肿瘤免疫治疗效果。
参考文献：Bei Li,et al. Engineering a Therapy‐Induced “Immunogenic Cancer Cell Death” Amplifierto Boost Systemic Tumor Elimination, Adv. Funct. Mater., 2020.
DOI:10.1002/adfm.201909745
https://doi.org/10.1002/adfm.201909745
10. Sci. Adv：血小板膜包裹金属有机骨架纳米粒体内靶向基因沉默
小干扰RNA(SiRNA)是一种强有力的基因沉默工具，已被广泛应用于生物医学领域，但在体内的治疗应用面临诸多挑战。有鉴于此，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的LiangfangZhang、Ronnie H. Fang等研究人员，报道了一种血小板细胞膜包裹的金属-有机骨架(MOF)纳米递送平台，用于体内靶向递送siRNA。
参考文献：JiaZhuang, et al. Targeted gene silencing in vivo by platelet membrane–coatedmetal-organic framework nanoparticles. Science Advances, 2020.
DOI：10.1126/sciadv.aaz6108
https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaaz6108?rss=1
精选综述
11. Theranostics：用于药物递送、肿瘤成像和治疗的刺激响应型纳米载体
四川大学米鹏教授综述介绍了刺激响应型纳米载体的发展概况及最新进展，介绍了其在药物递送、肿瘤成像和治疗等方面的应用，阐述了其在临床转化方面的进展，并对发展前景进行了展望。
参考文献：PengMi. Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery, tumor imaging, therapyand theranostics. Theranostics. 2020
DOI:10.7150/thno.38069
https://www.thno.org/v10p4557.htm
12. Mater. Horiz：合理设计半导体聚合物刷用于癌症诊疗
美国NIH Ling Li、Albert J. Jin研究员和陈小元研究员重点介绍了近年来在发展先进的诊疗型半导体聚合物刷（SPBs）方面取得的重要进展。
参考文献：ZhenYang. et al. Rational design of semiconducting polymer brushes as cancertheranostics. Materials Horizons. 2020
DOI:10.1039/d0mh00012d
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00012d#!divAbstract
生物材料周刊
以医疗为目的，用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料被称为生物材料。
下面，奇物论编辑部精选了上周部分生物材料的报道，供大家学习交流。
编辑部重点推荐阅读的有：（点击标题可阅读详情）
1. Nature BME：麻省理工Anderson团队细胞包载技术新突破，有望解决免疫排斥反应！
2. 同期发表4篇Science子刊，最新组织工程（再生医学）研究获进展
1. Nature BME：麻省理工Anderson团队细胞包载技术新突破，有望解决免疫排斥反应！
麻省理工学院著名教授Daniel G. Anderson等人开发了一种生物相容性的细胞包载装置，可以在生物体内长期递送和维持治疗细胞。研究人员依次改善了膜的特性和生物相容性，以提高装置的性能。该膜具有一定的孔径大小，以维持其细胞屏障功能。另外，研究人员还运用表面涂层修饰技术，将抗纤维化分子连接到装置上，并证明了该表面涂层可以长期减轻纤维化反应。最后，研究人员证明了该装置应用于包载人类细胞系和大鼠胰岛的功效。这种生物相容性装置的研究方案为多种医疗设备，例如导管、乳房植入物、传感器和药物输送装置等方面的应用提供了可能性。
Bose,S., Volpatti, L.R., Thiono, D. et al. Aretrievable implant for the long-termencapsulation and survival of therapeuticxenogeneic cells. Nat. Biomed.Eng. 2020.
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0538-5
2. Science Advances：应用肝细胞生长因子工程化间充质干细胞启动人骨髓间充质干细胞促进心脏修复的治疗潜力
人骨髓间充质干细胞(BM-MSCs)移植到衰竭心脏后表现不佳，阻碍了其临床应用。有鉴于此，韩国加图立大学的Hun-Jun Park、韩国浦项工科大学的Jinah Jang、香港城市大学的Kiwon Ban等研究人员，为了提高BM-MSCs的治疗潜力，开发了一种名为体内启动的策略，即通过将表达肝细胞生长因子的基因工程MSCs(HGF-eMSCs)包裹在心外膜植入的3D心脏补片中，在心肌梗死(MI)诱导的心脏中体内启动BM-MSCs。
Bong-WooPark, et al. In vivo priming of human mesenchymal stem cells with hepatocytegrowth factor–engineered mesenchymal stem cells promotes therapeutic potential forcardiac repair. Science Advances, 2020.
DOI：10.1126/sciadv.aay6994
https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaay6994?rss=1
3. Biomaterials：Mg-Nd-Zn-Zr合金髓内钉涂上SrHPO4，既能降解又能诱导成骨
镁及镁基合金具有良好的降解性、成骨作用和生物相容性，是一种很有前途的骨科植入物生物材料。然而，这些材料的缺点包括产氢量高，不可预期的耐腐蚀性和机械强度持续时间不足，表面修饰可以保护这些生物材料并诱导成骨。在此，上海交通大学袁广银、复旦大学附属中山医院阎作勤等人通过化学沉积方法为他们获得专利的可生物降解Mg–Nd–Zn–Zr合金（简称JDBM）开发了SrHPO4涂层。
Zhe Wang, et al. Degradation and osteogenic induction of a SrHPO4-coatedMg–Nd–Zn–Zr alloyintramedullary nail in a rat femoral shaft fracture model, Biomaterials, 2020.
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.119962
4. Nat. Commun.：脱细胞组织工程血管的内皮化获新进展
美国纽约州立大学布法罗分校Stelios T. Andreadis等人最近证实，由肝素和血管内皮生长因子(VEGF)固定的小肠粘膜下层(SIS)组成的脱细胞组织工程血管(A-TEVs)可以植入临床前期绵羊动物模型的动脉系统，在一个月内内皮化并保持通畅。在此，他们又报道了固定化VEGF在一定的剪切应力范围内以高特异性捕获血液循环单核细胞(MC)。
RandallJ. Smith Jr., et al. Endothelialization of arterial vascular grafts bycirculating monocytes, Nat. Commun., 2020.
DOI:10.1038/s41467-020-15361-2
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15361-2
5. Science Advances：防止重要细胞流失，可注射的凝胶有策略！
患者来源的雪旺细胞移植是治疗脊髓损伤的一种很有前途的再生医学疗法，但由于细胞输送效率低下，其治疗效果受到影响。有鉴于此，美国斯坦福大学的Sarah C. Heilshorn和斯坦福大学医学院的Giles W. Plant等研究人员，提出了一种基于材料的策略，解决了移植细胞死亡的三个常见原因：(I)注射过程中的膜损伤，(Ii)注射部位的细胞渗漏，以及(Iii)由于内源性基质丢失而导致的细胞凋亡。
Laura M. Marquardt, et al. Designer,injectable gels to prevent transplanted Schwann cell loss during spinal cordinjury therapy. Science Advances, 2020.
DOI：10.1126/sciadv.aaz1039
https://advances.sciencemag.org/content/6/14/eaaz1039?rss=1
6. Nat. Commun.：3D打印导电聚合物
导电聚合物在储能、柔性电子、生物电子等领域有着广泛的应用前景。然而，导电聚合物的制备主要依靠传统方法，如喷墨印刷、丝网印刷和电子束光刻，其局限性阻碍了导电聚合物的快速创新和广泛应用。有鉴于此，麻省理工学院赵选贺等人介绍了一种基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的导电聚合物墨水，实现了导电聚合物微结构的高效、快速3D打印。
HyunwooYuk, et al. 3D printing of conducting polymers. Nat. Commun. 2020, 11 (1),1604.
DOI:10.1038/s41467-020-15316-7
https://doi.org/10.1038/s41467-020-15316-7
7. Chem：单晶内DNA指导的蛋白质包装
揭示蛋白质的结构和功能通常依赖于蛋白质晶体。但是，蛋白质是大型，复杂且动态的分子，可能难以结晶。此外，控制晶体中的蛋白质组织也具有挑战性，但可以允许设计利用高度特异性蛋白质功能的材料。于此，美国西北大学ChadA. Mirkin等人通过在GFP表面添加DNA来修饰单晶内包装的绿色荧光蛋白（GFP），证明了DNA的相互作用，长度和附件位置会大大地影响晶体内的GFP的组织。
WinegarPH, et al. DNA-Directed Protein Packing within Single Crystals. Chem. 2020.
DOI:10.1016/j.chempr.2020.03.002
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.03.002
8. ACS Nano: 硅藻壳二氧化硅具有超亲水性和超亲血性
当前，材料特殊的表面润湿性引起了极大的关注。近日，韩国KAIST的Haeshin Lee教授课题组和济州岛JDKBIO公司的Gyung Min Go共同研究发现对于具有相同化学成分SiO2的微粒，显示了润湿性的巨大差异。
JeeheeLee et al. Diatom Frustule Silica Exhibits Superhydrophilicity andSuperhemophilicity. ACS Nano, 2020.
DOI:10.1021/acsnano.0c00621
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00621
可穿戴与器件
编辑部推荐阅读：（点击标题即可阅读详情)
1. 钱昆/娄加陶等Nature Commun.：一滴血清！即可诊断心肌梗死
3. 中大/南方医AM: 可穿戴荧光牙套对隐藏的牙齿病变部位进行可视化和精确定位
1. Nature Commun.：一滴血清！即可诊断心肌梗死
心血管疾病导致全球31.5%的死亡，特别是心肌梗死(MI)，每年导致740万人死亡。心肌梗死的诊断和预后监测对于临床管理和生物医学研究至关重要，这需要准确和快速的先进工具。在此，上海交通大学钱昆、娄加陶等人建立了等离激元金纳米岛(pGold)芯片分析方法，用于心肌梗死的诊断和监测。
Wei Xu, et al. Diagnosis and prognosis ofmyocardial infarction on a plasmonic chip, Nat. Commun., 2020.
2. Nature electronics：上转换光电探测器用于生物成像
上转换光电检测器将光子从红外转换为可见光谱，并在诸如红外检测和成像等应用中使用。但是，高性能上变频设备通常基于真空沉积的材料，这种材料昂贵且需要高工作电压，这限制了它们在柔性系统中的实现。近日，上海科技大学宁志军等人报道了溶液处理的光学上转换光电探测器，其光子到光子的转换效率高达6.5％，导通电压低至2.5V。
3. Adv. Sci.：比人脑更出色！超低功耗可穿戴异质突触
尽管受生物系统启发的报告的神经形态计算设备的能量消耗已经低于传统记忆，但它仍然大于生物突触（每个尖峰≈10FJ）。于此，复旦大学孙清清和陈琳等人设计了基于MoS2的柔性异质突触，其具有两种调制模式，即电子模式和光激发模式。
4. AFM：通过纳米复合材料中的焦耳加热效应监测小应变
柔性应变传感器是未来智能机器人技术的重要组成部分。但是，大多数电流应变传感器必须通过导线与相应的监测系统电连接，这增加了系统的复杂性并限制了监测应变的工作环境。于此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员报道了使用焦耳加热效应充当应变传感器的可拉伸石墨烯-聚合物纳米复合材料。
Zhang,D., et al., WirelessMonitoring of Small Strains in Intelligent Robots via aJoule Heating Effect inStretchable Graphene–PolymerNanocomposites. Adv.Funct. Mater. 2020, 30, 1910809.
DOI:10.1002/adfm.201910809
https://doi.org/10.1002/adfm.201910809
5. Nature Photonics：通过高度散射的组织读出荧光功能信号
6. AM：DVD光碟用于检测生物蛋白、病毒、抗体
天然生物材料中的纳米结构超表面（metasurface）展现了与众不同的光子相关性质，并在量子光学、光电子学、生物检测等领域展现了应用。最近研究人员在亚波长范围内实现了光-物质之间的精细调控。但是，目前的相关制备方法中有花费较高和耗时巨大的特点，并且由于光刻技术的技术限制只能得到非常小的活性区域，因此在对生物结构的表征上有着较大缺陷（生物材料体积较大，需要更大的区域）。斯坦福医学院、盖亚医学院、加州大学的研究者等发展了一种塑料模板实现了具有较大区域的可调节的超界面，并具有周期性的金属-介电层，能够发生激发等离子体法诺共振跃迁（Plasmonic Fanoresonance transitions），并实现多模式和多路检测蛋白和病毒。
RajibAhmed, et, al. Tunable Fano-Resonant Metasurfaces on a DisposablePlastic-Template for Multimodal and Multiplex Biosensing, Adv. Mater. 2020.
DOI:10.1002/adma.201907160
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907160
7. AM:一种独特的透明、可穿戴荧光牙套对隐藏的牙齿病变部位进行可视化和精确定位
Xuemeng Li et al. A Transparent, Wearable Fluorescent Mouthguard for High‐Sensitive Visualization and Accurate Localization of Hidden Dental Lesion Sites. Adv. Mater. 2020.
https://doi.org/10.1002/adma.202000060
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