華南理工朱偉、南科大余沛源、南洋理工趙彥利 Nat. Commun.：納米隔室限域效應介導生物體內聚合反應
生物體內無時無刻不進行著各種各樣的化學反應，例如，生物合成多糖、蛋白質和核酸，這不僅構成了生物體所需的各種基本成分，也賦予了生物體各種功能，并調節了生命進程。截止目前，已經有一些外源性化學反應成功在體內發生，例如利用點擊反應，轉移氫化，脫除保護基等實現生物體內合成熒光探針，活性藥物。聚合反應是一種合成多種多樣，易于調控大分子化合物的普遍方法，可以為科學家理解，分析和調節細胞性能提供無限可能。目前有一些基于超分子和共價的聚合反應已在生命體內發生，創造了多種功能并調節生物反應。在生物體中實現人工聚合反應面臨著一些實際困難：1）通常需要運輸高濃度的底物；2）生物體內普遍存在的活性物質和代謝產物可能會抑制聚合過程；3）多數聚合反應需要額外的刺激來激活，例如紫外光，金屬離子等；4）目前體內合成的聚合物功能還比較有限。
圖 1. 生物體內聚合反應示例及利用納米隔室受限策略在生物體中成功實現外源性光聚合及內源性氧化聚合的示意圖。
針對這些問題，華南理工大學生物科學與工程學院朱偉教授、南方科技大學余沛源教授和新加坡南洋理工大學趙彥利教授共同設計利用納米隔室受限策略在生物體中成功實現多種聚合反應的發生（圖1）。納米隔室提供了一種受限的環境，使得單體在腔體內具有較高的局部濃度，提高了單體碰撞的效率，可以避免加入高濃度的單體，從而降低單體的潛在毒性。納米隔室也為單體創造了一個隱秘的環境，可以降低活性物質對于聚合反應的影響，利于多種聚合反應在體內發生。
以外源性的光聚合反應為例，苯乙烯磺酸鈉（NaSS）在光引發劑的存在下，隨著光照時間的延長，光聚合反應發生，熒光強度增強。當利用囊泡包載NaSS和光引發劑后，其聚合反應速度增加了2.7倍。分別將有囊泡和沒有囊泡的NaSS加入到4T1細胞中，孵育4小時后進行光照，發現有囊泡組的熒光強度增加倍數為無囊泡組熒光強度增加倍數的2.9倍，說明了納米隔室對于細胞內聚合有有益作用（圖2）。
圖 2. 納米隔室受限策略介導的外源性光聚合反應。
利用外源性刺激（如金屬離子，光，熱等）來實現體內聚合在實際應用中多有受限，內源性信號（如過氧化氫，低pH，各種酶類）則表現出了極大潛力。利用囊泡包載辣根過氧化物酶（HRP）和苯胺類似物，可以實現過氧化氫響應的內源性聚合（圖3）。研究發現，對于不同的苯胺類似物，在囊泡協助下的聚合反應速率明顯高于沒有囊泡的聚合反應速率。同時，當添加新鮮的細胞上清作為干擾物時，有囊泡的聚合反應保留了更高的反應速率，證實了納米隔室為單體提供了一種受限和隔離的環境，增強了聚合反應速率，也提供了一個更穩定的聚合環境。
圖 3. 納米隔室受限策略介導的內源性氧化聚合反應。
在這些底物中，ADPAH@AOT在響應H2O2后在近紅外二區（NIR-II）表現出了明顯的吸收，進一步的研究發現，其具有較好的NIR-II的光熱和光聲性能。通過與腫瘤細胞孵育，發現其可以誘導腫瘤細胞免疫原性死亡（ICD），促進樹突狀細胞熟化，激活免疫反應（圖4）。由于腫瘤處有過表達的H2O2，使得該體系有潛力作為可激活的NIR-II光熱免疫治療。進一步地，在菠蘿蛋白酶降解腫瘤細胞外基質的協助下，ADPAH@AOT在小鼠體內促進了ICD效應，促進了樹突狀細胞的成熟，進一步增加了T細胞的浸潤，增強了免疫響應，其不僅清除了原位瘤，也進一步的抑制了遠端瘤，獲得了有效的光熱免疫治療效果（圖5）。
圖 4. ADPAH@AOT激活免疫原性死亡及促進樹突狀細胞成熟的表征。
圖 5. ADPAH@AOT響應腫瘤處H2O2聚合反應的發生及其激活光熱免疫治療的表征。
以上相關成果以“Nanocompartment-confined polymerization in living systems”為題發表于《Nature Communications》上，該論文第一作者為新加坡南洋理工大學博士后陳韻，通訊作者為華南理工大學生物科學與工程學院朱偉教授，南方科技大學余沛源教授和新加坡南洋理工大學趙彥利教授。該研究得到了國家自然科學基金等項目支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40935-1
