汕头大学吴松教授课题组《ACS AMI》：具有多功能金属有机框架外壳的精子马达可在生物威胁环境中进行自我保护和主动递药

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自驱动的生物混合动力马达是一类将具有自主运动能力的微生物（如精子、细菌、微藻等）与人工合成材料相结合的微型机器。哺乳动物的精子细胞因具有良好的推进力、趋化能力和免疫逃逸能力而受到广泛关注，可很好的应用为生物混合马达的驱动引擎。但实际的应用环境中存在很多生物引擎的威胁，如抗精子抗体（AsA）。AsA可与精子表面的特异性抗原结合，抑制精子的运动能力，限制其在生物医学领域的应用前景。

 近期，汕头大学医学院吴松教授团队构建了ZIF-8包裹的精子马达，ZIF-8的包裹不会影响精子的存活率和运动能力。同时，ZIF-8可释放锌离子，降低精子自身产生的氧自由基对运动能力的影响，促进精子维持良好的动力。更重要的是，多孔的ZIF-8颗粒具有选择透过性，抗精子抗体（AsA）作为一种粒径较大的蛋白，无法穿透ZIF-8外壳与精子细胞膜表面的受体蛋白相结合，避免了AsA对精子运动能力的抑制效果。实验中，作者进一步利用了ZIF-8的药物负载能力，得到药物负载的精子马达，可在有AsA的环境中进行有效的药物递送。该体系提升了以自驱动细胞为引擎的生物混合马达在实际复杂环境中的耐受力，拓宽了其在生物医学领域中的应用场景。精子与ZIF-8的结合也可以很容易的扩展到其他的生物引擎（如细菌、微藻）与纳米颗粒（TiO₂,Fe₃O₄）的结合体系中。该工作发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊，题为“Multifunctional Metal–Organic Framework Exoskeletons Protect Biohybrid Sperm Microrobots for Active Drug Delivery from the Surrounding Threats”。 论文的第一作者是汕头大学医学院博士研究生陈启伟，通讯作者为汕头大学医学院、深圳市众循精准医学研究院、深圳市罗湖医院集团吴松教授及深圳市众循精准医学研究院、深圳市罗湖医院集团唐颂颂研究员。

 

内容概要

1. 实验中将ZIF-8纳米颗粒，单宁酸以及精子细胞混合30 s即可得到ZIF-8包裹的精子马达（ZIFSpermbots）。单宁酸的络合作用可将ZIF-8纳米颗粒快速地全包裹在精子细胞的表面（图1）。所合成的生物混合精子马达通过SEM，荧光显微镜进行了表征。同时这种细胞表面修饰不会影响精子细胞的存活率（图2）。 
图1. ZIFSpermbots的制备及其在生物威胁环境中的细胞保护和主动递药示意图  
图2. ZIFSpermbots 的表征
2. 图3实验中对精子马达的合成条件进行了优化，探究了不同的ZIF-8和TA浓度下，所得精子马达的运动速度。最终选用的ZIF-8和TA浓度分别为150 μg/mL和2.5 μg/mL。所得的ZIFSpermbots在不同生物介质中仍然具有良好的运动能力。精子表面的ZIF-8外骨骼也可通过EDTA进行有效去除。 
图 3. ZIFSpermbots 的运动性能研究 3. 图4中，ZIF-8可释放Zn²⁺，延缓精子运动能力下降的趋势。多孔的ZIF-8结构具有选择透过性，可阻挡AsA与精子表面的蛋白结合，使ZIFSpermbots在AsA环境中依然具有良好的运动能力。
 图4. ZIF-8在AsA存在的环境中对精子马达的保护作用 4. 利用ZIF-8的载药能力，得到了负载DOX的ZIFSpermbots。在AsA存在的环境中，ZIFSpermbots依然具有良好的运动能力，可在微流控装置中完成迁移，实现药物的主动递送。

 
图5. 负载DOX的ZIFSpermbots 在生物威胁环境中的药物递送效果

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c18597

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