长春应化所田华雨研究员：共价有机框架纳米颗粒用于抗肿瘤基因治疗

中科院长春应用化学研究所陈学思院士团队的田华雨研究员和长春理工大学李艳辉教授设计了一种基于共价有机框架的新型基因载体，通过引入阳离子构筑单体，实现了表面带正电荷的阳离子共价有机框架的制备。该载体不但具有良好的生物相容性，而且具有良好的基因转染效果。

近年来，共价有机框架（COF）作为一种新兴的多孔材料，已经被广泛地应用于催化、能源等各个领域，并取得了显著的成果。COF材料的固有多孔结构使其在载药、载蛋白和担载核酸等生物医用领域具有天然的优势。但是如何简单便捷地构建尺寸可控、表面电荷可调的纳米COF材料仍然是其在生物医用中的一个难点。最近，田华雨研究员等通过掺杂阳离子聚合物或者氨基小分子作为COF的构筑单元的方式，成功制备了尺寸可调、表面带有正电荷的阳离子COF纳米颗粒，并进一步将其应用于基因递送，取得了良好的基因转染效果。 

    以均苯三甲醛和对苯二胺为主体构筑材料，通过在反应中原位掺杂胱胺盐酸盐和聚乙烯亚胺，作者成功制备了一系列的阳离子纳米COF。首先通过XRD、BET、DLS、Zeta电势和SEM对材料进行了表征（图1），结果表明，所制备的一系列阳离子纳米颗粒均具有良好的结晶性，而且分散性良好，尺寸均匀。                          

图1 阳离子纳米COF的XRD、BET、DLS、Zeta电势和SEM表征结果 

作者进一步研究了纳米材料是否能够很好地被细胞内吞。内吞是纳米材料进入细胞的第一步，也是基因转染的重要一步。共聚焦图片显示（图2），单纯的阳离子COF能够有效地进入细胞。为了进一步促进细胞对阳离子COF纳米颗粒的内吞效果，作者制备了一种促进内吞的小分子。从图2可以看出，当添加了这种促进内吞的小分子之后，材料的内吞效果得到了极大的增强。 

图2 不同材料的内吞效果，以共聚焦的形式呈现 

在验证了阳离子纳米COF能够被癌细胞有效内吞之后，作者进行了体外的基因转染实验。如图3所示，无论是荧光素酶基因还是绿色荧光蛋白基因都能够很好地在肿瘤细胞中表达，表明所制备的阳离子COF纳米颗粒是一种优异的基因载体。

图3 阳离子COF纳米颗粒的基因转染效果 （选用荧光素酶基因和绿色荧光蛋白基因作为模型基因 ）

最后，作者进行了体内的抗肿瘤实验。图4可以看出，阳离子纳米COF担载shVEGF基因后能够很好地抑制肿瘤的生长，而且小鼠体重没有明显变化，表明材料具有良好的生物相容性。

图4 体内抑瘤实验结果 

综上所述，作者通过原位掺杂的方法制备了尺寸均匀、分散性良好的阳离子COF材料，并进一步将其应用于抗肿瘤基因治疗，无论是体外细胞转染还是体内基因治疗都取得了良好的基因转染效果。这为共价有机框架材料在生物医用领域的应用和新型低毒高效的基因载体的构建提供了一种新思路。

论文的第一作者为中科院长春应用化学研究所博士生郝凯，通讯作者为中科院长春应用化学研究所田华雨研究员、长春理工大学李艳辉教授。详见: Kai Hao, Zhaopei Guo, Lin Li, Pingjie Sun, Yanhui Li, Huayu Tian, Xuesi Chen. Covalent organic framework nanoparticles for anti-tumor gene therapy. Sci. China Chem. 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-9998-x.

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通讯作者简介

田华雨 研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。中国科学院长春应用化学研究所生态环境高分子材料重点实验室生物医用高分子课题组工作。曾在韩国KAIST、日本九州大学做客座研究，在美国犹他大学做访问学者。目前主要从事生物医用高分子、纳米基因/药物载体、基因治疗、免疫治疗、肿瘤疫苗等方面的研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett等杂志发表SCI论文150余篇。获权中国发明专利25项。2007和2011年获得吉林省科技进步一等奖，2012年获得国家自然科学基金优秀青年基金资助，入选2014年度中组部“万人计划”青年拔尖人才。所开发的细胞用基因转染试剂实现产业化。                            李艳辉 教授、博士生导师。主要从事生物医用高分子、基因/药物传输体系、光催化领域的研究，包括综合利用天然高分子与合成高分子的优异性能，用于药物担载和释放；发展基因与药物的共传递，治疗恶性肿瘤；设计纳米光敏剂，用于光动力灭菌及抗癌；利用有机无机杂化合成多功能光催化剂，用于清除水环境中的病原微生物、芳杂环有机污染物及重金属离子。在Nano Lett、Biomaterials、Nanoscale、Mater.Sci. Eng. C、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Control. Release等杂志发表SCI检索学术论文70余篇。获吉林省自然科学三等奖1项，自然科学学术成果二等奖1项、三等奖1项。授权国家发明专利12件。主编专著1部，参与编撰2部。

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