JACS前瞻性论文生物启发的细胞硅化从细胞外到细胞内

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　　通讯作者：郭佶慜，朱伟，C. Jeffrey Brinker
　　通讯单位：华南理工大学，新墨西哥大学
　　论文DOI：10.1021/jacs.1c00814
　　背景介绍
　　在自然界中，硅藻通过生物硅化作用在其表面形成了多级有序的二氧化硅外骨骼。硅藻表面的二氧化硅铠甲，不仅有利于硅藻对养分的吸收和废物的交换，还为其赋予了化学稳定性和热稳定性，以及对微生物攻击的抵抗能力。非凡的硅藻外骨骼激发了仿生领域研究工作者的极大兴趣，旨在细胞表面复制这些精巧的二氧化硅结构，以赋予细胞非原生或非生物的特性，如隔绝有害外部压力，赋予细胞磁性，以及利用二氧化硅外骨骼的空间限制对细胞功能进行编辑等。
　　全文速览
　　本文综述了仿生细胞硅化的研究进展，以多细胞二氧化硅基质包裹，单细胞二氧化硅外骨骼包裹，和无定形二氧化硅＂冰冻＂单细胞生物分子三种策略展开介绍，集中讨论了仿生细胞硅化的发展及其伴随的挑战。同时着重强调了仿生细胞硅化中重要的技术进展，讨论了生物硅化细胞的独特性质，并提供了作者对仿生细胞硅化的合成-结构-性能之间关系的理解。
　　图1.仿生细胞硅化策略
　　多细胞二氧化硅基质包裹(Cell-in-Silica Matrix)：二氧化硅基质同时对多个活细胞进行包裹，实现细胞间及细胞外硅化。该部分主要讨论了如何在不影响细胞活性和功能的前提下，对活细胞进行硅化处理，以应用于生物催化、细胞治疗、环境和工业过程监测和组织/器官替代等领域。同时讨论了二氧化硅的基质对包裹细胞生物行为的诱导能力。此部分主要分为传统的溶胶-凝胶法(Conventional Sol−Gel Approach)，细胞诱导自组装(Cell-Directed Assembly Approach )，以及硅基质诱导的生物学行为(Biological Behaviors Induced by the Silica Matrix)三个分段展开介绍。
　　单细胞二氧化硅外骨骼包裹(Cell-in-Silica Shell)：利用二氧化硅层包裹单个细胞，实现细胞表面硅化。该部分主要讨论了单细胞硅化的机理，以及二氧化硅外骨骼的功能化及其应用前景。作为单细胞硅化的延伸，作者提出使用任意纳米粒子对单细胞进行表面矿化，以赋予细胞非生物特性与功能。该部分主要分为聚胺介导硅化(Polyamine-Mediated Silicification)，二氧化硅壳层功能化(Functionalization of the Silica Shell)，以及纳米粒子壳层构建(Nanoparticle-Based Shell Formation)三个分段展开讨论。
　　无定形二氧化硅＂冰冻＂单细胞(Cell Frozen-in-Silica)：利用特定条件下，二氧化硅前体在溶液中的缓慢缩聚和细胞蛋白介导的快速自限性硅化，将细胞的生物分子包裹在无定形二氧化硅层中，实现细胞内外的全细胞硅化。该部分主要讨论了如何以细胞作为模板实现细胞内硅化，以及其在细胞结构影像学、循环肿瘤细胞抓捕、人造细胞、细胞免疫治疗等多个方向的应用，并展望了其在生物医学及生物技术等领域的工业化转化前景。此部分主要分为细胞内/细胞外硅化的概念与机制(Concept and Mechanism of Intra/Extra- Cellular Silicification)，细胞硅化复制体(Silica Cell Replication)，及其生物医学应用(Silica Cell Replica-Based Biomedical Applications)三个分段展开讨论。
　　论文信息
　　此综述近期发表于Journal of the American Chemical Society，华南理工大学雷琪博士和新墨西哥大学郭佶慜博士为共同第一作者，华南理工大学朱伟教授与新墨西哥大学C. Jeffrey Brinker院士和郭佶慜博士为共同通讯作者。谨以此文，献给Brinker教授，祝其70岁生日快乐。
　　Qi Lei, Jimin Guo, Fanhui Kong, Jiangfan Cao, Lu Wang, Wei Zhu, and C. Jeffrey Brinker, Bioinspired Cell Silicification: From Extracellular to Intracellular, Journal of the American Chemical Society, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c00814
　　作者介绍
　　朱伟教授为华南理工大学生物科学与工程学院教授，博士生导师，国家海外青年高层次人才，＂珠江人才计划＂青年拔尖人才，华南理工大学＂兴华精英学者计划＂入选者。课题组研究方向围绕材料与生物的结合开展前沿交叉探索，实现多学科交叉融合，发展基于材料强化的未来型人工生物体系，并期望获得若干实际应用及实现成果转化。近年来在化学、纳米材料、传感等领域开展了系统研究，取得了系列创新性研究成果，已在国际学术期刊JACS，Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Funct. Mater.等发表论文60余篇。课题组目前承担国家和省级项目多项，经费充足。课题组常年招收1-2名博士后及若干名博士和硕士研究生。课题组介绍信息参见课题组网站http://www2.scut.edu.cn/zwgroup/main.psp。
　　雷琪博士，师从武汉大学张先正教授，现为华南理工大学生物科学与工程学院博士后研究员。主要研究方向为智能药物递送系统及新型酶固定化技术的开发，已在高分子、纳米材料、生物医学等领域多个国际权威科学学术期刊如Prog. Mater. Sci., Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，Nano Lett.，Biomaterials，Small等发表论文50余篇，他引3000余次。
　　郭佶慜 博士，师从C. Jeffrey Brinker院士，现为新墨西哥大学-微工程材料中心，化学与生物工程系，以及新墨西哥大学健康科学中心-分子医学系的联合博士后研究员。主要研究方向为生物/材料界面相互作用，生物硅化及其生物医学应用。已在国际学术期刊Adv. Mater.，JACS，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano等发表论文19篇，获授权中国发明专利7项、美国专利1项、PCT专利5项。
　　C. Jeffrey Brinker 教授为新墨西哥大学荣誉教授，美国国家工程院院士，美国艺术与科学院院士，美国国家发明家科学院院士，ACS Nano副主编。已发表论文400余篇，拥有美国专利50余项，H-Index为101，文章引用总数超过61000次。Brinker教授是＂溶胶-凝胶＂技术的先驱者，他将溶胶-凝胶加工与分子自组装相结合，创造出用于能源和人体健康的新型纳米材料，曾荣获溶胶凝胶科学与技术终生成就奖。
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