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  近日，《德國應用化學》以“The Cooperative Effect of both Molecular and Supramolecular Chirality on Cell Adhesion”為題，在線報道了上海交通大學材料科學與工程學院馮傳良教授課題組在仿生手性水凝膠對細胞選擇性黏附領域取得的重要進展(Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201801462).

  手性手性是自然界最重要的化學信號之一，對保持人體組織細胞的正常功能起到了決定作用。構建手性微納米結構，探索手性影響細胞粘附、生長的內在機理不僅在生物醫藥健康等領域有應用價值，也對探討自然界生命的手性起源具有重大意義。

  近年來，國內外學者對分子手性影響細胞的行為進行了研究，證明了分子手性對細胞粘附生長的重要作用。其次，馮傳良教授課題組在前期的研究中也證明了手性納米纖維結構對細胞的粘附與生長也有著非常重要的影響。盡管如此，關于手性調控細胞的研究仍舊處于前期的探索階段，還存在很多亟需解決的關鍵科學問題。其中，在分子組裝體中分子手性是保留并得到放大的，手性納米纖維調控細胞行為過程中分子手性起到了什么作用就是一個亟需解決的關鍵科學問題，這主要因為手性納米纖維結構與分子手性是細胞外微環境中的一個協同統一體。因此，要闡述清楚分子手性和組裝纖維手性對細胞黏附的影響，設計合成由單一對映體構建不同手性的螺旋纖維結構顯得越來越重要。

圖一、凝膠因子分子結構及亞甲基的奇偶效應調控螺旋手性反轉的示意圖。

  基于上述背景，上海交通大學馮傳良教授課題組利用亞甲基基團的奇偶效應，設計合成了亞甲基基團共價連接的L-苯丙氨酸和苯環，外圍為生物相容性良好的二甘醇胺修飾的BA、BE和BP凝膠因子。通過改變L-苯丙氨酸手性碳與剛性苯環之間的亞甲基基團的奇偶數，實現了超分子組裝體的手性反轉。鑒于該體系是由單分子手性均一的三種凝膠因子構建的螺旋纖維，對BA、BE和BP組裝的手性納米纖維進行了細胞黏附和增殖的研究。

圖2、三種凝膠因子干凝膠的掃描電鏡圖片。利用掃描電鏡(SEM)對凝膠BA、BE和BP的微觀形貌進行了表征分析。結果顯示BA和BP凝膠的納米纖維為右手螺旋，而BE凝膠的納米纖維為左手螺旋

圖3、三種水凝膠的圓二色圖譜和振動圓二色圖譜。

  利用圓二色光譜(CD)對BA、BE和BP水凝膠狀態下聚集體的超分子手性進行了測試（圖3B上圖）。亞甲基為偶數的BA(n=0)和BP(n=2)在273nm處有正的Cotton效應峰，在220 nm附近出現一個負的Cotton效應峰；而亞甲基為奇數的BE(n=1)，在235-600 nm之間出現了正的寬Cotton效應峰，在227 nm附近出現一個正的Cotton效應峰。CD譜圖曲線信號顯示兩者具有一定的非鏡像對稱。基于相同構型的L-苯丙酸合成得到的3種凝膠因子，而區別在于甲基基團數量的不同，證明三種凝膠產生了手性反轉現象。這是由于不同數量的亞甲基之間的奇偶效應改變了L-苯丙氨酸的手性碳與剛性苯環之間的空間距離，引發了組裝分子之間的空間構象變化，造成了超分子組裝體的手性反轉。利用振動圓二色光譜(VCD，圖3B)研究了BA、BE和BP凝膠的手性。BA（圖3B上圖）和BP（圖3B下圖）在1750-1600cm-1之間顯示的是（ - / +）VCD信號， BE（圖3B中）的VCD信號顯示出顯著的（+/-）。VCD模式意味著從BA到BE到BP的手性反轉，結果與SEM和CD實驗一致，表明BA具有右手納米纖維BE，左手納米纖維和BP右手納纖維。

圖4、Hy926細胞和NIH 3T3細胞在BA、BE和BP手性納米纖維薄膜上孵育不同時間后的熒光顯微鏡照片及細胞黏附密度）

  將NIH 3T3細胞和Hy926細胞接種在涂有BA、BE和BP干凝膠薄膜的96孔細胞培養板上（約 2000 個/孔），采用活-死細胞雙染，熒光顯微鏡下觀察并拍照。用 Image J 軟件進行統計分析，從(圖4B和C)可知，兩種細胞在BE凝膠薄膜上粘附的細胞數量為BA凝膠薄膜上粘附細胞數量的1.2倍，BP凝膠薄膜上的1.3倍。表明盡管這兩種納米纖維均源自L-苯丙氨酸衍生物，但左旋螺旋納米纖維可促進細胞黏附，而右手納米纖維具有微弱的影響。

圖5、手性納米纖維細胞黏附的示意圖。

  結論證明由L-苯丙氨酸衍生物構建的左手螺旋納米纖維(M)對細胞黏附是正影響,源自L-苯丙氨酸衍生物的右手螺旋納米纖維(P)和源自D-苯丙氨酸衍生物的左手螺旋納米纖維(M)的細胞黏附效果為弱影響，而由D-苯丙氨酸衍生物組裝的右手納米纖維(P)的細胞黏附效果為負影響。經過對細胞實驗結果的分析，得出由手性氨基酸構建的手性纖維對細胞黏附的影響順序為LM>LP≈DM>DP（圖5）。

  該論文的第一作者是劉進營博士生，通訊作者為馮傳良教授。該項工作得到國家自然科學基金(基金號51573092)、上海市教育委員會科研創新計劃重大項目和上海高校特聘教授(東方學者)崗位計劃資助.

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201801462