环糊精成精了？从1篇Science和1篇Nature说起！

纳米人

2020-04-13

环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是一系列环状低聚糖的总称，通常含有6~12个D-吡喃葡萄糖单元。其中研究得较多并且具有重要实际意义的是含有6、7、8个葡萄糖单元的分子，分别称为alpha -、beta -和gama-环糊精。由于连接葡萄糖单元的糖苷键不能自由旋转，环糊精不是圆筒状分子而是略呈锥形的圆环。

环糊精在医药、食品、农业、化工等方面有着重要用途，下面我们简要总结了最近发表的11篇相关论文（大部分文章涉及生物医学，其他涉及合成、催化、净水），希望对相关读者有所启发。

1. Science：构象灵活的葡萄糖单体使合成最小的环糊精成为可能

环糊精(CDs)是α-1,4-D-吡喃葡萄糖苷的环状低聚物，其中六聚体至八聚体较为常见。CDs的中空腔可以保留小分子，从而实现不同的应用。最小的环糊精CD3和CD4的环尺寸太小，无法形成最稳定的吡喃葡萄糖构象，也尚未成功合成。有鉴于此，日本关西学院大学Hidetoshi Yamada课题组提出了化学合成CD3和CD4的方法。合成成功的主要因素是创造了一个平伏型（equatorial）和直立型（axial）构象相互平衡的吡喃葡萄糖环。这种构象灵活性归因于在葡萄糖的O-3和O-6之间引入的桥环，它使合成环状三聚体和四聚体时产生所需构象。

DaikiIkuta, Yasuaki Hirata,Shinnosuke Wakamori, Hiroaki Shimada, Yusuke Tomabechi*,Yuri Kawasaki, KazutadaIkeuchi†,Takara Hagimori, Shintaro Matsumoto, Hidetoshi Yamada‡.Conformationally supple glucose monomers enable synthesis of thesmallestcyclodextrins. Science, 2019.

DOI:10.1126/science.aaw3053

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/674

2. Nature：有机废水处理神器—β-环糊精！

水体污染已经成为全球环境治理的重大问题之一，其中农药、医药、化妆品等有机污染物废水尤其是治理难点！目前，工业上去除废水中有机物最常用的方法之一就是活性炭吸附，该方法操作简便、价格便宜，还可以将活性炭进行脱附后重复使用。同时，该方法也存在这样一些问题：1）吸附速度较慢；2）对于相对亲水的有机污染物去除效果不明显；3）活性炭再生需要消耗大量能量，成本较高，而且再生之后的吸附效果也会有所降低。

廉价、持续性地生成葡萄糖超分子大环来吸附有机物，不溶于水的高分子β-环糊精，貌似是一个不错的新选择。β-环糊精吸附有机污染物的原理是与有机物形成主-客体分子的复合物，然而，目前交联型β-环糊精比表面积较低，去除效果难以和活性炭媲美！有鉴于此，康奈尔大学的WilliamR. Dichtel等人利用芳香基团使β-环糊精交联耦合，得到了一种比表面积高达250 m²/g的3D介孔β-环糊精高分子。

本文要点：

1)该材料对多种有机污染物的吸附速率常数是活性炭的15-200倍，在温和条件下冲洗后可以多次重复利用而性能不发生明显降低。通过和商业上领先的活性炭材料对比，这种β-环糊精高分子对实际环境中的有机污染物的去除表现出更好的性能。

2)研究人员表示，这种β-环糊精高分子材料易于工业化制备，成本低廉，经过优化可使价格达到5-25美元/千克，这是常用炭过滤器的价格的一半！该材料不仅可以在家庭水过滤方面使用，还有望用于工业废水处理和生态修复，将极有可能取代活性炭成为下一代新型水处理材料！ 

图1. 亲核芳族取代反应制备介孔β-环糊精高分子

图2. 不同吸附材料对双酚A的吸附速率对比

图3. P-CDP对大多数有机污染物都有很高的吸附速率

图4. P-CDP在实际水体中表现出比商业领先的活性炭材料更好的有机污染物去除性能

1. AlaaeddinAlsbaiee, Damian E. Helbling, William R. Dichtel et al. Rapid removal oforganic micropollutants from water by a porous β-cyclodextrin polymer. Nature, 2015.

DOI: 10.1038/nature16185

https://www.nature.com/articles/nature16185

2. David Shultz. .A faster, cheaper water filter, thanks to sugar. Nature 2015.

3. AFM：环糊精/胶原蛋白用于仿生角膜移植

眼角膜中富含胶原的组织表现出独特的、高度有序的细胞外基质超微结构对于其高承载能力和透光率而言是有利的，其在发育过程中受到富含亮氨酸的蛋白聚糖（SLRPs）来控制，以达到独特的光学透明度。为了创造出模拟角膜结构的生物合成材料，Majumdar等人筛选了不同大小和化学功能的环糊精（CDs），以调节胶原蛋白组装。将βCD添加到胶原蛋白中会产生与原生的角膜相似排列的纤维和片晶材料。生物化学分析显示，CD和疏水性胶原蛋白的相互作用会影响其组装和纤维结构。为了将自组装胶原蛋白转化为角膜，引入了凝胶化和玻璃化的模具生成βCD/Col。在兔子角膜移植模型中显示了组织的整合和支持再上皮化的特点。因此这一工作为设计具有先进结构和功能特性的角膜模仿替代品提供了新的策略。

Majumdar, S., Wang, X.K. et al. CyclodextrinModulated Type I Collagen Self-Assembly to Engineer Biomimetic CorneaImplants.  Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.201804076

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201804076

4. AM：响应多种刺激的环糊精基超分子组装物及其生物学功能

环糊精(CDs)是从淀粉酶解过程中提取的一类环状低聚糖，常被用于分子识别和构建组装。南开大学刘育教授团队对响应多种刺激（包括化学、生物、物理刺激）的环糊精基超分子组装物的最新研究进展进行了综述；并对它们的生物学性能和应用，如对pH和氧化还原响应的药物/基因传递、酶激活的载体释放、光控调节的形态互变、细胞间通讯以及用于抑制肿瘤的侵袭和转移等等领域做了详细介绍；最后还讨论了这些CDs基生物功能材料的应用前景及其所面临的挑战。 

Zhang, Y.M., Liu, Y.H. et al.Cyclodextrin-Based Multistimuli-Responsive Supramolecular Assemblies and TheirBiological Functions. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201806158

https://doi.org/10.1002/adma.201806158

5. ACS Nano：环糊精纳米粒子自身也可抗结核病

耐多药的结核病是一个重大的公共卫生问题，每年约有50万病例产生。已有研究表明,由交联的聚-β-环糊精(pβCD)组成的纳米粒子是一种有效的载体，可以用于递送强大的抗结核药物。法国里尔大学Priscille Brodin教授团队和巴黎第十一大学Ruxandra Gref教授团队联合证明了除了作为有效的药物载体之外，pβCD纳米颗粒自身也具有抗菌性能。实验发现在肺部给药后，空的pβCD纳米粒子也能够对结核分枝杆菌(Mtb)产生负面作用。pβCD会通过干扰脂筏来阻碍Mtb引起的巨噬细胞增殖，并且不会产生细胞毒性。此外，pβCD也会引起巨噬细胞凋亡导致已感染的细胞被消耗，从而创建一个不利于Mtb的肺部微环境。综上所述，这一研究结果证明了pβCD纳米粒子单独或负载抗生素后可以有效地对抗结核病。

Machelart, A., Salzano,G. et al. IntrinsicAntibacterial Activity of Nanoparticles Made of -Cyclodextrins Potentiates Their Effect as Drug Nanocarriers AgainstTuberculosis. ACS Nano. 2019

DOI: 10.1021/acsnano.8b07902

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b07902

6. Science Advances：环糊精聚合物网络负载亚纳米级金属颗粒用作高效低温催化剂

在多相催化领域中，具有合适配位结构和网络限域结构的载体材料对控制超细金属纳米粒子的合成具有重要意义。近日，阿卜杜拉国王科技大学的Klaus-Viktor Peinemann课题组在点击化学的基础上设计合成了β-环糊精聚合物网络(CPN)，具有交联度高，在水和有机溶剂中的稳定性好的优势，1,2,3-三氮唑键作为环糊精的连接单元和有效的锚定基团可以促进金属离子与NPs的结合，考虑到CPN的约束网络结构及其强大的配位基团，以其为载体，在温和的条件下通过湿化学法设计制备了一系列超细贵金属钯(Pd)，银(Ag)，铂(Pt)，金(Au)，铑(Rh)纳米颗粒，金属配位位点和网络结构的存在是超细金属纳米粒子成功合成和稳定的关键。所制备的CPN负载钯纳米粒子是一种非均相催化剂，在温和条件下对硝基化合物的加氢和Suzuki-Miyaura偶联反应具有优异的催化性能，CPN载体与金属纳米颗粒协同工作，具有较高的催化活性和选择性，而且还具有较高的稳定性，并且易于回收利用，对环境和工业应用具有重要意义。该工作有利于激发对新型工程纳米复合材料的进一步研究，在催化、生物医学、光学等许多领域具有巨大的潜在应用。

Tiefan Huang, Guan Sheng, Priyanka Manchanda,Abdul H. Emwas, Zhiping Lai, Suzana Pereira Nunes and Klaus-Viktor Peinemann.Cyclodextrin polymer networks decorated with subnanometer metal nanoparticlesfor high-performance low-temperature catalysis. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aax6976

http://doi.org/10.1126/sciadv.aax6976

7. Nature Commun.：由牺牲模板和蜂窝状壳聚糖纳米纤维垫组成的止血水凝胶

开发可以用于各种紧急情况的止血材料和技术是目前十分热门的研究领域。而设计制备可以被吸收的医用敷料则是其中的重要一环。这种敷料的优点在于它可以留在受伤部位并降解以缩短介入治疗的时间。德州农工大学Karen L. Wooley团队和MahmoudElsabahy团队合作，将β-环糊精聚酯(CDPE)水凝胶作为牺牲性的大孔载体，其在生理条件下能够降解。CDPE模板可以对嵌入的壳聚糖蜂巢状单片进行组装，从而增加壳聚糖的表面积来提高材料的止血效率。体内实验结果表明，与商业上可吸收的止血敷料相比，负载壳聚糖的环糊精(CDPE-Cs)水凝胶能显著降低失血量，缩短止血时间，且具有很好的生物相容性。

Eric E. Leonhardt, Karen L. Wooley, MahmoudElsabahy. et al. Absorbable hemostatic hydrogels comprising composites ofsacrificial templates and

honeycomb-like nanofibrous mats of chitosan.Nature Communications. 2019

https://doi.org/10.1038/s41467-019-10290-1

8. Adv. Sci.：清除ROS的材料用于对抗炎症和药物引发的毒性

尽管有大量的抗氧化剂可以用来治疗与氧化应激相关的疾病，但它们的临床转化仍然面临许多挑战。Li等人报道了一种基于超氧化物气化酶/过氧化氢模拟酶的同时结合了环糊精（TPCD）的材料，能够消除活性氧（ROS）。由此开发出的药物很容易被制成抗氧化，抗炎症和大小可调的纳米颗粒。TPCD纳米粒子（TPCD NP）有效地保护了巨噬细胞不被氧化应激诱导凋亡并且在三种不同类型炎症小鼠模型表现出良好的抗炎效果并且能保护小鼠免受药物引起的毒性危害，在体外和体内初步试验证明了TPCD NP的良好安全性。因此， TPCD可以进一步发展为治疗炎症和氧化应激相关疾病的可靠和安全的治疗平台。

Li, L.L., Guo, J.W. et al. A Broad-SpectrumROS-Eliminating Material for Prevention of Inflammation and Drug-Induced OrganToxicity.

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.201800781

https://doi.org/10.1002/advs.201800781

9. Chem. Sci.：利用超分子络合增强光发射用于生物成像的化学发光探针

在生物成像中，化学发光比荧光更有优势，因为化学发光不需要外部光源。Gnaim等人将苯氧基-金刚烷基-1, 2二恶烷探针与三甲基β-环糊精进行了包封。结果表明主-客体形成络合物的比例为1：1。与非络合的探针相比，络合物在生理条件下可以显著增强探针的化学发光强度。这种络合过程可以通过能量转移激发共轭染料荧产生发射光。该包合物的发光强度约为未络合探针的1500倍。这也是首次利用化学发光超分子二氧化戊烷探针去获得细胞显微图像，并通过酶活性和生物分析物的体外和体内成像展示了这些超分子复合物的应用价值。

Gnaim S, Scomparin A, et al. Light EmissionEnhancement by Supramolecular Complexation of Chemiluminescence Probes Designedfor Bioimaging. Chemical Science, 2019.

DOI: 10.1039/C8SC05174G

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/sc/c8sc05174g#!divAbstract

10. Small：新型纸基纳米生物传感器的构建及其用于生物标志物的灵敏检测

近日，美国国立卫生研究院陈小元研究团队联合南昌大学熊勇华研究团队在纸基纳米生物传感器上开发了一种智能超分子自组装介导的信号放大策略，实现了对生物标志物的灵敏和定制化检测。其中，设计了β-环糊精包裹的金纳米颗粒（Au NPs）与1-金刚烷乙酸或四(4-羧基苯基)卟啉之间的主客体识别，并将其应用于试纸测试区域Au NPs的逐层自组装。

因此，放大的平台具有很高的灵敏度，其检测极限在亚阿克水平(每个条带约几十个分子)，且可检测浓度动态范围超过七个数量级。此敏感平台的适用性和普适性在临床上具有重要意义的范围内均得到了证明，可用于测定加标血清和临床样品中的癌胚抗原和HIV-1衣壳p24抗原。通过循环孵化介导的可控自组装，则进一步验证了其针对临床医生需求所定制的生物标志物检测能力。总而言之，超分子自组装扩增方法适合作为一种通用的定点诊断工具，将其作为一种平台技术可用于多种不同目标分析物的灵敏分析。

Xiaolin Huang, Yaofeng Zhou, Lu Ding, et al.Supramolecular Recognition‐MediatedLayer‐by‐Layer Self‐AssembledGold Nanoparticles for Customized Sensitivity in Paper‐BasedStrip Nanobiosensors. Small, 2019.

https://doi.org/10.1002/smll.201903861

11. Adv. Sci.：为钌基光敏剂量身定制的多功能抗癌纳米传递系统

钌配合物是一种很有效的光敏剂，但其临床应用还存在这诸多的局限性。中山大学谭彩萍、毛宗万教授等人报道了一种由铂和环糊精(CD)修饰的聚多巴胺(PDA)纳米颗粒(NPs)，并利用其负载二茂铁钌络合物(RuFc)进行组成了多功能纳米平台PDA- Pt-CD@RuFc。

实验表明，该NPs能成功地将RuFc递送至肿瘤部位，并在低pH值、光热和H₂O₂的触发下使得NPs释放RuFc。并且PDA-Pt-CD@RuFcNPs介导的光动力与光热联合治疗(PDT-PTT)可以从多个方面克服肿瘤的乏氧微环境：（1）该平台中的铂NPs可以催化H₂O₂生成O₂；（2）并且光热引起的血管舒张可以维持氧的补充；（3）RuFc可以通过类芬顿反应进行的对氧气不依赖的PDT。而由于PDA、Pt NPs 和RuFc的存在，该纳米平台可用于实现光热、光声和CT在内的多模态成像，并且能够通过联合治疗以实现最佳的治疗效果。

Jin-HaoLiang, Cai-PingTan, Zong-Wan Mao. et al. A Tailored Multifunctional AnticancerNanodelivery Systemfor Ruthenium-Based Photosensitizers: Tumor MicroenvironmentAdaption andRemodeling. Advanced Science. 2019

DOI:10.1002/advs.201901992

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201901992