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  蛋白質(zhì)作為生命系統(tǒng)中的關(guān)鍵分子，其折疊過程涉及多種二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，包括α螺旋、β折疊和β轉(zhuǎn)角等。這些構(gòu)象與眾多生命活動(dòng)以及某些疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。受天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，近年來科學(xué)家們開發(fā)了多種策略以調(diào)控合成多肽的構(gòu)象和功能。然而，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性使得對(duì)其構(gòu)象的理解和模擬面臨挑戰(zhàn)。目前，合成多肽的構(gòu)象研究主要集中在β折疊、α螺旋和無規(guī)線團(tuán)上，而約占折疊蛋白質(zhì)和肽殘基總數(shù)25%的β轉(zhuǎn)角構(gòu)象卻在很大程度上被忽視。β轉(zhuǎn)角在穩(wěn)定三級(jí)結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)蛋白質(zhì)折疊以及介導(dǎo)分子識(shí)別中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但由于這種構(gòu)象通常需要強(qiáng)大的側(cè)鏈-側(cè)鏈相互作用來穩(wěn)定，目前在合成聚氨基酸中的研究尚未見報(bào)道。另一方面，由于缺乏有效的可視化方法，人們對(duì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變及其對(duì)大分子多級(jí)自組裝行為和功能的影響的理解仍十分有限。盡管已有研究嘗試通過熒光技術(shù)來可視化蛋白質(zhì)在功能活動(dòng)中的構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程，但這些方法通常需要對(duì)特定氨基酸進(jìn)行精確修飾或?qū)?fù)雜的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）探針對(duì)嵌入蛋白質(zhì)中，難以直接拓展到合成聚合物的研究中。迄今為止，設(shè)計(jì)能夠可視化構(gòu)象和功能變化的合成高分子仍然是一個(gè)亟待解決的重大挑戰(zhàn)。

圖1 具有可視化構(gòu)象轉(zhuǎn)變和顏色報(bào)告型藥物遞送功能的發(fā)光聚合物囊泡示意圖

  近日，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院丁明明教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于四苯乙烯（TPE）修飾的聚L-半胱氨酸體系，該體系具有多模態(tài)光可追蹤的二級(jí)結(jié)構(gòu)以及顏色報(bào)告型藥物遞送行為。這一研究首次在合成高分子中報(bào)道了從β折疊到β轉(zhuǎn)角的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。在該體系中，聚合物中硫醚鍵的氧化增強(qiáng)了極性并觸發(fā)構(gòu)象轉(zhuǎn)變。氧化后，TPE分子之間的CH···π相互作用不僅穩(wěn)定了β轉(zhuǎn)角構(gòu)象，還因分子堆積方式的改變而產(chǎn)生手性，增強(qiáng)了熒光發(fā)射，進(jìn)而誘導(dǎo)了圓偏振發(fā)光（CPL）。這些現(xiàn)象使得該體系能夠通過熒光和CPL的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聚合物鏈的構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程。此外，這種發(fā)光聚合物組裝體表現(xiàn)出活性氧（ROS）響應(yīng)的藥物釋放行為，并可通過多色變化對(duì)釋藥過程進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)告（圖1）。

  首先，研究團(tuán)隊(duì)通過N-羧酸酐（NCA）的成環(huán)及開環(huán)聚合反應(yīng)，成功合成了嵌段共聚物PEG-PCys-TPE（以下簡(jiǎn)稱PPT）。這種共聚物具有兩親性，能夠在水環(huán)境中自組裝形成聚合物囊泡（圖2）。研究結(jié)果顯示，PPT囊泡在氧化后（PPT-O）熒光顯著增強(qiáng)（圖2），這一現(xiàn)象表明TPE側(cè)鏈的堆疊排列可能發(fā)生了變化。然而，通過對(duì)羅丹明6G包載實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)光散射（DLS）、靜態(tài)光散射（SLS）、透射電鏡（TEM）和激光共聚焦顯微鏡（CLSM）等實(shí)驗(yàn)手段的綜合分析（圖2），研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)形貌變化并非導(dǎo)致熒光增強(qiáng)的原因。

圖2 （A）PPT和PPT-O的結(jié)構(gòu)式。（B）PPT（a, c）和PPT-O（b, d）在氯仿中（c, d）和組裝體（a, b）狀態(tài)下的熒光發(fā)射光譜（激發(fā)波長(zhǎng)λ_ex = 318 nm）。（C）PPT（上）和PPT-O（下）組裝體的CLSM圖像（左）、TEM圖像（中）和DPD模擬中的典型橫截面視圖（右）。（D）PPT和PPT-O自組裝溶液的光散射數(shù)據(jù)：（實(shí)線）多角度SLS的典型Berry圖；（虛線）不同入射角下的流體動(dòng)力學(xué)直徑相關(guān)函數(shù)。（E）PPT組裝體在不同氧化時(shí)間下的CD譜圖。（F）PPT組裝體在不同氧化時(shí)間下的FTIR譜圖。（G）PPT和PPT-O組裝體的CPL譜圖。

  圓二色光譜（CD）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析結(jié)果證實(shí)了聚合物從β折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>β轉(zhuǎn)角構(gòu)象。這種構(gòu)象轉(zhuǎn)變歸因于硫醚基團(tuán)的氧化，該過程破壞了側(cè)鏈的疏水堆積（圖2）。此外，氧化后的聚合物側(cè)鏈之間出現(xiàn)了顯著的CH···π相互作用。這種相互作用不僅穩(wěn)定了β轉(zhuǎn)角構(gòu)象，還誘導(dǎo)了手性以及圓偏振發(fā)光的產(chǎn)生（圖2）。分子模擬的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這種氧化誘導(dǎo)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變及其伴隨一系列發(fā)光現(xiàn)象變化的分子機(jī)制（圖3）。

圖3 （A, B） PPT-O組裝體在三氟乙酸（TFA）處理前后的CPL譜圖（A）和發(fā)光不對(duì)稱因子（g_lum）曲線（B）。（C）PPT在不同氧化時(shí)間下的熒光變化率的歸一化值以及1636 cm^-1與1668 cm^-1紅外吸收峰強(qiáng)度比值（A₁₆₃₆/A₁₆₆₈）。（D-I）通過DFT計(jì)算得到的PPT和PPT-O的二級(jí)結(jié)構(gòu)（D, F）、主鏈的二面角（E, G）以及在相對(duì)較近距離處測(cè)量的C-H···π相互作用（H, I）。紅色虛線表示氫鍵。

圖4 （A）365 nm紫外光（上圖）和白光（下圖）照射下，用10% H₂O₂和5%乙酸處理的NR@PPT的藥物釋放過程圖像。（B）NR釋放過程中NR@PPT體系的熒光發(fā)射顏色的國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）坐標(biāo)圖及其線性擬合。（C, D）氧化（C）和未氧化（D）NR@PPT的熒光光譜。（E）氧化和未氧化NR@PPT的FRET效率變化率。（F）顏色報(bào)告型藥物釋放過程示意圖。

  為了探究氧化介導(dǎo)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變是否能夠觸發(fā)藥物釋放，作者將尼羅紅（NR）作為疏水性藥物模型負(fù)載于聚合物囊泡中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，載藥體系在氧化條件下表現(xiàn)出高效的響應(yīng)性釋放行為。在釋藥過程中，體系呈現(xiàn)出從紅色到藍(lán)色的顯著熒光變化，且熒光色坐標(biāo)軸x與釋藥率之間存在很強(qiáng)的線性關(guān)系，具體表現(xiàn)為RR（%）= -321.41x + 156.46（R² = 0.99）。這一結(jié)果表明，該載體可以作為一種藥物釋放比色卡，實(shí)時(shí)反映體系的藥物釋放狀態(tài)（圖4）。

圖5（A）氧化條件下與NR@PPT培養(yǎng)不同時(shí)間的MCF-7細(xì)胞的CLSM圖像。（B）不同通道細(xì)胞內(nèi)熒光強(qiáng)度的半定量分析。（C, D）給藥后不同時(shí)間點(diǎn)的荷瘤小鼠（C）和24小時(shí)后的離體組織（D）成像結(jié)果。a、b、c分別表示游離DOX、DOX@PPT-O和DOX@PPT。（E）不同處理組小鼠的腫瘤體積變化。（F）腫瘤組織的代表性H&E染色、Ki67和TUNEL免疫熒光染色結(jié)果。a、b、c、d分別表示生理鹽水、游離DOX、DOX@PPT-O和DOX@PPT。（G）治療18天后的小鼠體內(nèi)收集的腫瘤組織的CLSM圖像。a、b分別表示DOX@PPT-O和DOX@PPT。

  為了探究PPT作為藥物遞送載體的潛力，作者在模擬腫瘤微環(huán)境的條件下對(duì)其響應(yīng)性行為進(jìn)行了評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)，自組裝體在該條件下仍然能夠發(fā)生從β折疊到β轉(zhuǎn)角的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，并伴隨著持續(xù)的藥物釋放行為。基于此，作者進(jìn)一步研究了載藥體系的生物學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)載藥體系在氧化條件下展現(xiàn)出高效的胞內(nèi)藥物遞送能力和顯著的體內(nèi)外抗腫瘤效果。此外，未載藥的載體本身具有良好的生物相容性（圖5）。該研究不僅為深入理解蛋白質(zhì)的多級(jí)結(jié)構(gòu)及其功能提供了新的見解，還為高分子構(gòu)象的調(diào)控開辟了新的方法。此外，該研究為設(shè)計(jì)智能仿生材料提供了創(chuàng)新的策略和思路。

  該工作以“Visual β-Sheet-to-β-Turn Transition in Luminescent Polymeric Vesicles for Color-Reporting Drug Delivery”為題發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed. (Doi: 10.1002/anie.202503875)。四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生李子芬和副研究員劉洋為論文第一作者，丁明明教授為論文通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、四川省科技廳和高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202503875