刘俊秋教授团队Advanced Functional Materials上发表可逆的光驱动仿生K+/Na+交换器控制癌细胞凋亡的研究成果

近日，我院刘俊秋教授团队在光控仿生K⁺/Na⁺交换器领域取得新进展，相关研究成果以题为“A Reversible Light-Driven Biomimetic K⁺/Na⁺-Exchanger Controls Cancer Cell Apoptosis”发表于国际知名期刊Advanced Functional Materials（IF=19.0）上。

众所周知，具有物种转运高选择性和门控特性的各种各样天然跨膜通道是维持生物体生命的必要条件。在这些跨膜通道中存在一些特殊的离子交换器，如Na⁺/K⁺交换器（NKA）、Na⁺/Ca²⁺交换器（NCX）和 Na⁺/H⁺交换器（NHE）。这些交换器具有可切换的转运行为，允许双离子按需交替通过生物膜，以满足生理活动的需要。例如，NKA可在专门泵入K⁺和选择性排除Na⁺的功能之间切换，这是通过可逆磷酸化所诱导的复杂构象变化（E1和E2状态）实现的。这些过程对各种细胞功能有重大影响，包括细胞体积的调节、膜电位的建立、神经冲动的传导以及其他相关功能。为了了解天然通道的本质并有效地模仿其运行机制，人们一直致力于开发人工离子转运体。尽管在提高人工离子转运体的选择性和可控性方面取得了可喜的科学进展，双离子交换体的模仿仍有待探索。唯一的例子是基于半球的钙[4]吡咯离子对受体（图 1b），但这些受体以不可控的方式促进 Na⁺/K⁺交换。为构建人工双离子交换器，必须在单一系统中实现可控选择性翻转，即整合门控特性和各自具有高选择性的双离子传输状态。然而，这种整合是巨大的挑战，尤其是对于模拟K⁺/Na⁺交换器而言。

针对以上问题，刘俊秋教授团队成功构建了一种人工光控K⁺/Na⁺交换器用于癌症的治疗。首先采用两步缩合的方法制备了TE6, TE8, TE10和TE12四种化合物（中间烷基链的长度不同），用HPTS囊泡实验发现TE12的传输活性最好，具有最高的传输活性和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TE12几乎不传氯离子。藏红T囊泡实验进一步验证了高K⁺/Na⁺选择性。随后用紫外-可见光谱验证该TE12的光异构化能力，证实其能够循环多次。有趣的是：Trans-TE12具有高的K⁺传输活性，而Cis-TE12具有高的Na⁺传输活性, 为接下来K⁺/Na⁺切换奠定了基础。测定TE12的抗癌效果发现Cis-TE12对U87-MG等2种细胞均具有优良的抗癌活性，并且该抗癌效果与Na⁺的传输密切相关；而Trans-TE12几乎没有抗癌的效果。基于此，作者实现了原位光激活和光抑制抗癌治疗。对于Trans-TE12低毒性，与对照组相比，可以检测到微弱的K⁺外流；对于Cis-TE12高毒性，可以观察到显著的Na⁺闪烁现象，因此细胞内离子浓度的紊乱与细胞的死亡密切相关。对于Cis-TE12造成癌细胞死亡的机制，作者通过细胞色素C的释放，线粒体膜电位的丢失以及流式实验证明癌细胞是以凋亡的机制死亡的。

在本论文中，作者通过改变TE12转运机制（通道和载体），实现K⁺和Na⁺跨膜运输切换。TE12中偶氮苯分子的构象转变从根本上诱导了这种转换。K⁺通道（Trans-TE12）的K⁺/Na⁺选择性高达20.3，是选择性最强的人工K⁺转运体之一。此外，考虑到人工Na⁺转运体的稀缺性，具有高Na⁺/K⁺选择性（9.25）的Na⁺载体（Cis-TE12）也是一项突破。Cis-TE12通过点燃迷人的“Na⁺火花”而显著触发细胞凋亡，这是首次在用合成通道处理的癌症细胞上观察到的；而K⁺通道Trans-TE12表现出低毒性。重要的是，TE12可作为一种时空可控的离子干扰疗法，实现原位365 nm光触发和450 nm光抑制细胞死亡。

这项工作通过"大道至简"的设计理念，在简化的结构中实现了复杂的功能。它为今后迭代更新人工离子转运体，使其成为更好的生物类似物和治疗剂开辟了一条捷径。

该论文第一作者为吴雅琪博士生（杭师大与西工大联培），通讯作者为杭州师范大学刘俊秋教授，祝鼎成副教授，闫腾飞副教授。杭州师范大学为第一单位。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。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202400432