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NML综述 | 纳米共价有机框架COF用于癌症诊疗的的最新进展

已有 1258 次阅读 2021-10-21 09:55 |系统分类:论文交流

Recent Progress in Nanoscale Covalent Organic Frameworks for Cancer Diagnosis and Therapy

Shuncheng Yao, Zhirong Liu, Linlin Li*

Nano-Micro Letters (2021)13: 176

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00696-2

本文亮点
1. 总结了纳米级COF的特性和设计原则
2. 阐述了COF介导的纳米材料用于癌症诊断和治疗的进展;
3. 讨论了COF介导的癌症诊断和治疗的未来前景和挑战
内容简介
自2005年首次报道了共价有机框架(COF)以来,关于COF合成和应用的研究呈爆炸式增长。COF具有高比表面积、低密度、充分暴露的活性中心等特点,以及丰富的光、电、磁学等性质,在气体存储和分离、催化、光电子学等领域显示出巨大的应用潜力。近几年,纳米级COF在生物医学领域特别是在药物递送、光治疗、诊断及影像等应用于癌症诊疗方面已逐步展开并不断深入,为目前纳米载体、纳米影像剂和纳米药物的改进和发展提供了新的思路和机遇。因此,迫切需要一篇全面的综述文章来概述这一领域的最新进展,并对未来的发展提出展望。中科院北京纳米能源所李琳琳课题组综述了二维(2D)和三维(3D)COF的设计优化及其在癌症诊断和治疗中的应用。重点总结了COF不同特性的设计优化,总结了它们的尺寸、结构单元和合成条件的调控和优化,包括化学稳定性、孔结构和与客体分子的化学相互作用。接下来,总结了目前COF在癌症诊断和治疗中的应用,包括药物递送、光动力学治疗、光热治疗、体外诊断及体内生物影像等。最后,讨论了COF在癌症诊断和治疗中的一些现存问题和未来前景。
图文导读
I 2D/3D COF 的性能优化
通常,COF的结构和性质由其构建模块的性质决定。在本节中,主要讨论了尺寸、构建模块、官能团和反应条件对COF性质的影响,包括它们的化学稳定性、孔隙结构以及与客体分子的相互作用。

COF的构建单元和取代基是影响其化学稳定性的重要参数。近年来,COF的稳定性差已成为困扰其应用的最大问题之一。如图1所示,研究人员发现,未反应基团的空间位阻和不稳定性以及由不同构建单元形成的骨架结构影响COF的稳定性。通过改变框架的参数,例如其结构块和取代基,可以有效地改善稳定性。

图1. 具有不同化学稳定性的COF。a 二元、三元和四元COF的结构及其堆积模式。b 刚性和扭曲HBC节点的示意图,以及它们与硼酸酯COF的结合,以获得具有引导COF层堆叠的波浪状和高度互补结构。c 不含烷基的正常框架结构,其结构在暴露于恶劣环境后会坍塌;以及含有烷基的疏水框架,由于疏水基团的保护,结构能够承受恶劣环境。

由于其高度有序的孔结构,2D和3D COF都具有很高的客体分子负载量,这使得它们成为一种新型药物负载和释放的候选材料。因此,控制COF的微观结构和孔隙参数一直是研究人员关注的话题。然而,在移除位于孔隙中的客体分子后,经常会发生结构互穿和孔隙坍塌。最近研究发现,反应介质、未反应的基团和成键类型在调节孔隙特性,包括孔隙率和孔径,中都起着重要作用(图2a)。与此同时,改变COF结构中取代基的数量和类型可以有效地调节COF和特定客体分子之间的相互作用(图2b, c)。

图2. 具有不同孔结构的COF及其与客体分子的化学作用,I. 由未经修饰的边缘构建的互穿微孔骨架。II. 未互穿的介孔骨架由部分修饰的边缘组成,在去除客体分子后会发生孔收缩或坍塌。III. 由高度修饰的边缘形成的非穿透型介孔骨架,在去除客体分子后,孔可以完全保持不变。NUS-30从块状层状粉末到超薄2D纳米片的变温气体剥离示意图。I. 双折叠间的PTS网络;II. 从轴观察的空间填充模型;III. 从c轴观察的空间填充模型。

II COF用于癌症治疗

在癌症疗法中,传统化疗药物可能会分布到体内的各种组织和器官中,导致严重的毒副作用。近年来,COF被开发用作药物递送载体,提高肿瘤靶向递送,降低药物毒副作用(图3)。

图3. 用于药物递送的COF。药物负载的F68@SS-COF和细胞内GSH响应药物释放的示意图。THPP-BAE-PEG COP的制备和结构示意图,以及用于联合化学光动力疗法的pH诱导解离/药物释放行为。体内COF纳米复合结构和癌症治疗过程的示意图。

光动力疗法作为一种光激活的治疗方法,已应用于临床癌症等疾病的治疗(图4)。虽然使用COF用于PDT的研究仍处于早期阶段,但这些材料优异的光敏感性和光动力性能引起了广泛的关注。目前,已经可以通过改变COF的维度、组成和结构来提高其PDT性能。

图4. a I. ICG@COF-1@PDA纳米片的制造过程和II. ICG@COF-1@PDA纳米片的光免疫治疗活性。b COF纳米点-PEG的制造过程。c 2D CON制造和体内癌症疗法的示意图。d THPPpf-PEG的合成路线和随后PFCE的负载。

在光热治疗方面,COF不仅可以作为一种多功能载体,同时负载抗肿瘤药物、光敏剂和光热剂,实现光热治疗与其它疗法的协同作用(图5)。而且,COF可以通过结构设计具有π-共轭结构,显著提高光热吸收和光稳定性,使其在近红外外光照射具有高效的ROS产生和光热转换能力。

图5. COF的光疗示意图。

III COFs用于成像和诊断

早期癌症诊断在提高癌症治疗方面发挥着越来越重要的作用,可以有效提高患者的生存率。作为一种有机多孔材料,COF具有有序的π-共轭结构、高孔隙率、低密度、良好的生物相容性和稳定性。这些性质使其成为体外肿瘤检测分子的优异载体,从而提高灵敏度(图6a, b)。同时,COF所具有的高表面积和孔隙率,良好的导电性和与生物活性分子的相互作用为生物传感和生物成像都提供了良好的载体和机遇(图6c)。

图6. COF用于成像和诊断。用于检测EGFR或MCF-7细胞的基于P-COF传感器的示意图,包括(1)制备P-COF的制备,(2)适体链的固定化,以及(3)检测EGFR或MCF-7细胞。b I. FA-Pd NPs/CMC-COF-LZU1的合成过程的插图。II. 用于癌细胞成像的双功能FA-Pd NPs/CMC-COF-LZU1的示意图。c I. 设计和合成上转换COF纳米平台UCCOFS-1。II. 原位自我报告PDT过程的NIR激发。

IV 总结与展望

总体而言,与其它多孔纳米材料相比,纳米级COF在癌症诊断和治疗领域表现出独特的优势。COF不仅能作为药物递送的载体,并能通过合成后官能化实现更多的功能,而且COF本身具有可直接用于治疗目的的固有的光、电、磁学特性。药物递送和其它治疗方式(包括光疗和免疫疗法)的协同作用可以在同一种COF复合纳米系统上实现,解决目前癌症诊断和治疗的诸多挑战,包括早期诊断的灵敏度,治疗耐受,复发和转移等。
作者简介

姚顺成

本文第一作者

中科院北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学 硕士研究生

主要研究领域

纳米生物材料、自驱动器件在诊疗中的应用。

李琳琳

本文通讯作者

中科院北京纳米能源与系统研究所、中国科学院大学 研究员

主要研究领域

生物材料和自驱动器件、治疗与传感。

主要研究成果

发表学术论文100余篇,论文共被引用7900余次,H-index为39。其中在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Today、Nano Energy等期刊发表通讯/第一作者SCI论文60余篇。申请和授权国家发明专利16项,参编英文专著3章。主持国家自然科学基金(4项),北京市自然科学基金面上项目、“万人计划”青年拔尖人才计划等项目。

Email: lilinlin@binn.cas.cn

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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