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近日，北京大學化學與分子工程學院應(yīng)用化學系劉志博課題組在Journal of the American Chemical Society上發(fā)表題為“Desilylation Induced by Metal Fluoride Nanocrystals Enables Cleavage Chemistry In Vivo”的研究論文。在該工作中，作者巧妙地利用了金屬氟化物的活體解離平衡，通過原位脫硅反應(yīng)，成功實現(xiàn)并首次報道了金屬氟化物納米晶驅(qū)動的活體剪切化學，并借助放射性分子影像完成了組織選擇性的化學調(diào)控。該工作基于無機材料、化學生物學、放射性醫(yī)學影像等學科的交叉融合，提出了一類新型的活體化學調(diào)控策略，并為金屬氟化物等經(jīng)典無機材料領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新思路和新機遇。

圖1. 基于CaF2納米晶的硅烷脫除反應(yīng)實現(xiàn)活體剪切化學

金屬氟化物納米晶因其獨特的物理化學性質(zhì)，被廣泛用于生物成像、藥物遞送、生物傳感等生物醫(yī)學領(lǐng)域。理想情況下，金屬氟化物納米晶應(yīng)具備足夠的化學穩(wěn)定性，以維持良好的光、電、磁性質(zhì)。但是，根據(jù)溶解平衡原理，金屬氟化物在水溶液及活體內(nèi)會釋放出金屬離子和氟離子，這一過程不僅會對其結(jié)構(gòu)和功能造成影響，釋放出的金屬離子還會帶來潛在的生物安全問題。盡管對于絕大多數(shù)的生物應(yīng)用而言，金屬氟化物的溶解是不希望發(fā)生的，作者注意到，金屬氟化物的溶解產(chǎn)物氟離子作為一種經(jīng)典的脫硅反應(yīng)試劑，可用于高效的硅醚脫除反應(yīng)，進而構(gòu)建出基于金屬氟化物的活體剪切化學體系。

為了實現(xiàn)這個想法，作者合成了六種經(jīng)典的金屬氟化物，利用硅醚保護的羅丹明衍生物評估了不同金屬氟化物的脫硅釋放能力。熒光動力學結(jié)果顯示，脫硅反應(yīng)速率高度依賴于氟離子的平衡濃度，順序為BaF2 > SrF2 >CaF2≈NaYF4@CaF2> NaYF4 > LaF3。綜合考慮脫硅反應(yīng)速率和金屬離子的毒性，作者選用了CaF2用于后續(xù)實驗。

為了進一步提高生物相容性，作者合成了聚乙二醇修飾的CaF2納米晶，利用透射電鏡和氟離子計監(jiān)測了CaF2納米晶在水溶液中的溶解過程，證明CaF2納米晶可用作快速釋放氟離子的生物材料，并成功實現(xiàn)細胞水平上熒光分子的釋放。作者還設(shè)計了基于硅醚保護的多肽偶聯(lián)藥物，在CaF2納米晶的激活下，化療藥物得到釋放，有效地抑制了腫瘤的生長。

綜上，該工作開發(fā)了新型的活體硅烷脫除反應(yīng)工具，拓展了金屬氟化物納米晶材料的生物醫(yī)學功能，并為設(shè)計更有價值的無機-有機前藥帶來了新的啟發(fā)。

北京大學化學與分子工程學院的博士研究生段東斑為該文的第一作者，劉志博老師為通訊作者。北京大學孫聆東教授，博士后董浩和研究生杜平為該工作做出了重要貢獻。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、化學與分子工程學院、北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯(lián)合中心以及北京天壇醫(yī)院的資助。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c10399