基于血红蛋白改性的镧系金属有机框架的发光双凹形氧载体

《Journal of Rare Earths》：Luminescent biconcave oxygen carriers based on hemoglobin-modified lanthanide metal-organic frameworks

人工氧载体通过铽离子修饰的金属有机框架（MOF）与血红蛋白结合实现双凹形态模拟，具备可逆携氧能力及生物发光特性，可同时实现氧运输与生物分子检测（如多巴胺）。

　　

余远福|潘宇超|刘瑞刚|阮小红|陈德伟|岳善虎|陈秀梅|卢敏|岳泽元|谢晓杰

中国南京工业大学（NanjingTech）柔性电子学院（未来技术），柔性电子国家重点实验室（LoFE）与先进材料研究所（IAM），南京 211816

摘要

利用血红蛋白（Hb）和金属有机框架（MOFs）组装的人工氧载体最近作为一种有前景的血液替代品出现在紧急情况下。然而，目前的Hb-MOF氧载体无法完全模拟天然氧载体（红细胞）的所有功能，甚至其双凹形态。此外，Hb-MOF氧载体中MOFs的独特性质仍有待探索。在本研究中，我们使用Tb³⁺和1,3,5-苯三甲酸构建的双凹MOF颗粒，通过将Hb共价结合到MOF颗粒上，合成了具有独特双凹形态的发光氧载体。所获得的Hb-MOF氧载体具备可逆的氧气携带和释放能力，并具有适当的生物相容性，表现出良好的氧气携带性能。此外，我们的研究表明，得益于MOF颗粒特有的Tb³⁺发光特性，可以实现氧载体在血液中的可视化以及对多巴胺等生物分子的检测。这些结果应为基于MOFs的多功能人工氧载体的开发提供借鉴。

引言

红细胞含有用于输送氧气的血红蛋白（Hb），对于患有出血性休克、严重创伤和癌症等紧急疾病的患者来说是必不可少的。¹然而，由于全球血液短缺和储存相关问题（如污染），红细胞的按需使用受到限制。^{2, 3, 4}为了解决这一问题，正在开发基于Hb的人工氧载体，以复制Hb的可逆氧气运输能力，作为红细胞的替代品。^{5, 6, 7}一种常见的基于Hb的氧载体是通过将Hb与脂质体、聚合物和金属有机框架（MOFs）等基材结合而成的。^{8, 9, 10, 11}特别是，含有Hb的MOF（Hb-MOF）氧载体因MOFs的多孔结构、稳定性和较大的表面积而受到越来越多的关注，这些特性对于Hb的结合以及为Hb基氧载体带来额外优势至关重要。^{12, 13}迄今为止，已经有多种MOFs（包括沸石咪唑框架-8（ZIF-8）、ZIF-90和Lavoisier研究所材料-125（Ti）（MIL-125(Ti)））被用于制备基于Hb的氧载体。^{14, 15, 16, 17, 18}所得的Hb-MOF氧载体不仅保持了Hb的良好氧气结合能力，还表现出更高的稳定性、更长的循环时间和更低的毒性。^{17, 18, 19}例如，由ZIF-8和Hb制备的氧载体在恶劣环境（如碱性环境和沸腾的二甲亚酰胺）中仍能保持活性，这得益于ZIF-8的保护。²⁰与游离Hb相比，它们还显示出更长的血液循环半衰期，并显著延长了出血性休克小鼠的存活时间。尽管取得了这些进展，但目前报道的Hb-MOF氧载体仍远未充分模拟红细胞的功能。实际上，当前的Hb-MOF氧载体甚至难以复制红细胞的双凹形态，而红细胞的双凹形态具有独特的功能。例如，双凹形态可以为氧气运输提供更大的表面积，避免红细胞被脾脏清除，并延长红细胞的循环时间。^{21, 22, 23, 24}同时，报道的Hb-MOF氧载体几乎没有利用MOFs的其他功能。我们认为，合成所需MOFs的挑战可能是阻碍Hb-MOF氧载体有效模拟红细胞并扩展其功能的关键障碍。

通过将镧系离子与有机配体配位，可以构建出具有有趣形态的镧系MOFs，如手风琴状、花状和稻草束状结构^{25, 26, 27, 28, 29}，通过调整镧系离子和配体，有可能获得双凹结构的镧系MOFs。此外，由于配体的天线效应和镧系离子的4f-4f跃迁，镧系MOFs具有明亮的发光特性和较长的发光寿命，使其能够作为监测生物物种的光学探针。^{30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39}在本研究中，我们使用Tb³⁺和1,3,5-苯三甲酸（BTC）合成了MOF（即Tb-BTC MOF），并通过控制反应条件获得了双凹结构的MOF颗粒。将Hb与这些颗粒结合后形成了Hb-MOF氧载体，同时保持了MOF颗粒的原有特性。通过电化学测试，我们证明这些氧载体继承了Hb的可逆氧气携带和释放能力，并表现出比游离Hb更好的氧气携带性能。此外，得益于Tb-BTC MOF的发光特性，这些氧载体可作为生物成像的发光标记物和生物传感的发光探针。

材料

三氯化铽（TbCl₃，99.9%）和1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC，98%）购自Bailingwei科技有限公司。1,3,5-苯三甲酸（BTC，98%）购自Alfa Aesar公司。异丁醇（99%）由上海Saen化学技术有限公司提供。牛血红蛋白（Hb）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS，99%）和2-吗啉乙磺酸（MES）缓冲液（pH = 6.0）由上海Macklin生化技术有限公司提供。

结果与讨论

为了制备双凹Hb-MOF氧载体，我们首先选择了Tb³⁺和BTC来合成双凹的Tb-BTC MOF颗粒，因为BTC可以作为天线增强Tb³⁺的绿色发光，从而使相应的氧载体具有发光特性。⁴²Tb-BTC MOF是通过溶剂热法在140 °C下使用异丁醇作为溶剂合成的。所得的Tb-BTC产物为凹盘状颗粒，宽度约为0.5 μm，长度约为1 μm。

结论

总之，我们展示了可控制地制备基于Tb-BTC MOF的双凹氧载体，使其在形态和功能上模仿红细胞。我们的结果表明，Tb-BTC MOF特有的双凹形状主要受反应溶剂中的水分含量和MOF前体的组成影响。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国药科大学的彭杰博士和王军博士提供的溶血实验帮助。