杭师大刘俊秋/西工大闫毅团队JACS: 光可切换的超分子作用力调控钾离子跨膜传输和癌细胞凋亡

天然通道蛋白（NCPs）不仅能够高效且选择性地跨细胞膜运输相关物质（如离子和水分子），还能对环境中的刺激做出响应。值得注意的是，它们经常表现出多种传输状态（即亚状态），而不仅仅是在开放和关闭两种基本状态之间切换。例如，离子型谷氨酸受体是一种四聚体配体门控离子通道。当它们与激动剂谷氨酸结合时，它们的孔道会打开并表现出四种不同的电导状态。然而，开发一种能够响应外部刺激（如光、pH值和配体）并表现出多种传输状态的新型仿生跨膜传输系统仍然是一个重大挑战。

针对以上问题，杭州师范大学刘俊秋教授团队联合西北工业大学闫毅教授团队发展一种调控超分子作用力从而控制K⁺传输的策略，并将该人工钾通道用于抗癌治疗。秉承“一石二鸟”的设计理念，我们开发了一种基于含偶氮苯基团的单链随机杂聚物（RHPs）的光控人工K+跨膜传输系统P3（方案1A）。在脂质体和癌细胞中，该系统（P3）表现出三种不同的离子传输状态，包括“开启”、“部分关闭”和“完全关闭”。通过超分子相互作用的变化引起的构象调整，实现了可调节的K⁺传输效率。两组超分子相互作用（1. 氢键和π-π相互作用；2.主客体相互作用）可以通过P3中偶氮苯基团的可逆顺反异构化及其与β-环糊精（β-CD）的络合来调控，这些过程分别由365 nm和450 nm两种波长的光控制。机制研究表明，癌细胞凋亡是由内质网（ER）应激、钙火花、活性氧（ROS）的产生、线粒体膜电位（MMP）下降以及细胞色素c的释放触发的。这些效应均归因于显著的钾离子外流（4分钟内减少50%）。P3作为可控仿生模型和抗癌治疗剂展现了巨大的潜在应用前景。

方案 1. 光控超分子作用力用于钾离子跨膜传输和癌细胞凋亡。

作者用RAFT聚合制备了P1, P2和P3三种聚合物（与冠醚相连的偶氮苯以及直接聚合上偶氮苯），用HPTS囊泡实验发现P1, P2和P3三种聚合物的传输活性都挺好，且具有较高的K⁺/Na⁺选择性。为了确定碱金属离子为主要的传输种类，采用了光泽精囊泡实验证明P1, P2和P3几乎不传氯离子。高的K⁺/Na⁺选择性通常能够产生膜电位，用藏红T实验确定了其膜电位的产生。

图 1. 基于LUVs和脂双层的离子传输活性和选择性评估实验

作者用核磁、紫外可见光谱以及电镜确定了偶氮苯基元的顺反转变以及与环糊精的主客体复合。例如核磁氢谱显示，用365纳米光照射Trans-M1会导致多个峰（如NH、Ha、Hb和Hc）的化学位移向高场移动。具体来说，两个NH峰从10.48和10.37 ppm移动到了10.25和10.14 ppm，表明已过渡到Cis-M1。用450纳米的光照射得到的Cis-M1后，新生成峰的化学位移恢复到原来的位置，与Trans-M1的化学位移相对应。

图 2.光异构化和主客体复合研究

对于P1，用HPTS实验验证了光控氢键和π-π相互作用这一组超分子作用力可以调控钾离子跨膜传输，使传输状态由“开”切换到“部分关闭”的状态。对于P2，用HPTS实验验证了光控主客体相互作用这一组超分子作用力也可以调控钾离子跨膜传输，使传输状态由“开”切换到“完全关闭”的状态。而P3结合了P1和P2的特点，可以在“开”，“部分关闭”和“完全关闭”等多种状态之间切换。

图 3. 光控多种K⁺传输状态研究。

测定P3的抗癌效果发现P3对U87-MG等癌细胞均具有优良的抗癌活性，并且该抗癌效果与K⁺的外流密切相关。加入P3后，在几分钟内就能够显著造成K⁺外流。

图 4. K⁺外流与癌细胞凋亡研究

细胞实验表明，胞质中K⁺浓度在四分钟内迅速降低50%，破坏了离子稳态，导致内质网应激、明显的Ca²⁺火花、活性氧（ROS）水平升高、线粒体膜电位（MMP）丧失以及线粒体释放细胞色素c，最终触发了细胞凋亡过程。

图 5. 癌细胞凋亡研究

在脂质体实验中，作者发现P3结合了P1和P2的特点，可以在“开”，“部分关闭”和“完全关闭”等多种状态之间切换。除了脂质体实验，作者也尝试在细胞层面上调控两组超分子作用力调控钾离子传输和细胞活性。研究发现，在细胞层面上也能实现“开”，“部分关闭”和“完全关闭”等多种状态之间切换。

图 6. 可控的钾离子外流和细胞毒性研究。

该工作近期以题为“Photo-Switchable Supramolecular Interactions Regulate K⁺ Transmembrane Transport and Cancer Cell Apoptosis”发表在《Journal of the American Chemical Society》上。博士生李聪（西工大和杭师大联培）为文章第一作者，杭师大刘俊秋教授、王婷婷副教授、闫腾飞副教授以及西工大闫毅教授为论文的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金，科技部重点研发计划等项目的资助与支持。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c14583