近日，我院刘俊秋教授团队在Advanced Materials上发表了题为“Mechanosensitive and pH-Gated Butterfly-Shaped Artificial Ion Channel for High-Selective K⁺ Transport and Cancer Cell Apoptosis”的研究论文，创新性地基于聚丙烯亚胺（POPAM）树枝状分子和苯并21-冠-7醚构建了一种具有机械-pH双重响应特性的蝶形人工K⁺通道（GnC7）。该通道凭借其几何对称的核心结构和多重分子内氢键作用，展现出独特的蝴蝶形构象和动态性质，实现了优异的K⁺转运活性（EC₅₀低至0.72 μM）和创纪录的K⁺/Na⁺选择性（最高达41.3）。重要的是，内在的运动特性使之能响应外界机械刺激动态调节K⁺转运速率。同时，通过pH可控的主客体络合作用，实现了K⁺转运的可逆开关调控。并且，该通道诱导的超快细胞K⁺外流（9分钟内达70%）通过引发内质网应激有效触发了线粒体依赖性癌细胞凋亡。本研究实现了通道功能的多维度调控，不仅为理解生物类似物的动态行为提供了新见解，还将推动人工离子通道与治疗剂的创新设计。

近年来，对各种刺激（pH值、机械力、光、电压、氧化还原反应等）响应的人工离子通道（AICs）已被报道。值得注意的是，机械敏感性和酸碱度依赖性在人类的五感中各自发挥着不可替代的作用。机械敏感性离子通道可感知机械输入（压力、拉伸、剪切力等）引起的膜张力变化，然后调节离子通透性以传递信号，从而促进触觉、听觉和本体感觉等生理过程。包括酸感应离子通道（ASIC）在内的依赖于pH值的离子通道会随着酸碱度的变化而改变其开放状态，从而使人类能够感知味觉、嗅觉和炎症等病理状况。然而，目前尚缺乏机械敏感性或pH值响应型AIC，它们的开发将阐明人类的感知能力，并有可能为疼痛、触觉障碍和其他疾病的新疗法做出贡献。重要的是，对天然离子通道（NIC）的研究发现，温度升高（> 43 ℃）、pH值降低（< 5.9）以及辣椒素等化学物质都能触发TRPV1通道。然而，具有门控性质的阳离子通道仍然局限于单一刺激，并遇到了提高选择性的障碍。例如，刘俊秋教授团队于2024年报道了一种光控K⁺/Na⁺交换器，该交换器在门控K⁺转运系统中达到了截止2025年最佳的K⁺/Na⁺选择性（20.3，Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2400432.），而天然K⁺通道KscA的K⁺/Na⁺选择性高达10000，这表明仍需坚持不懈地研究以接近这一天然奇迹。必须利用创新和有效的设计策略来应对这些挑战，从而为开发新型智能AIC和研究NIC的运行机制提供新思路。

对于K⁺通道GnC7（n = 2、3、4，分别表示2，3和4代）的合成，首先是对POPAM表面的氨基进行异氰酸酯化，然后，苯并-21-冠醚-7的氨基与异氰酸酯修饰的POPAM反应生成脲键。通过脂质体模型进行传输实验发现G2C7传输性能较差，而G3C7和G4C7则表现出优异的K⁺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GnC7几乎不传氯离子。

图1. 基于脂质体模型的离子传输活性和选择性评估实验

作者利用基于平面脂双层的膜片钳技术研究了GnC7的传输机理。在此实验中所观察到的明显电流信号表明GnC7是以通道的机制传输钾离子，而不是以载体的机制。采用所测定的反转电位计算出G3C7和G4C7的K⁺/Na⁺选择性分别高达34.4和41.3。

图2. 脂双层实验验证传输机制和K⁺/Na⁺选择性

        作者随后用核磁实验验证了Bh可与二苯并-21-冠-7-醚发生主客体复合。因此，以21-冠-7醚作为离子结合位点的GnC7通道的传输功能可被Bh所抑制。并且该主客体复合过程具有pH依赖性，因此该通道具有pH门控性质。这一性质在脂质体实验和脂双层实验中都得到了证明。

图3. 主客体复合机制验证和pH门控性质研究

为了验证该通道的机械敏感性，在不同膜张力下进行了基于EYPC的HPTS实验。囊泡内部（200 mM）和外部（0 - 350 mM）之间的葡萄糖浓度差异导致渗透压变化，进而影响膜张力。图4d清楚地表明，G3C7在100秒内引起膜扩张张力（Δσ = 25 mN m^-1）下的囊泡的相对荧光发生了44%的变化，与无张力组（28%）相比增加了16%。相反，施加膜收缩张力（Δσ = -19 mN m^-1）导致荧光减少11%。不同膜张力下转运活性的明显差异有力地证明了GnC7对机械刺激的响应性。

图4. GnC7（以G3C7为代表）的运动性能和机械敏感性研究。

G4C7对U87MG等癌细胞均具有优良的抗癌活性，并且该抗癌效果与胞内K⁺的外流密切相关。重要的是，该通道的机械敏感性在细胞层面也得到了很好的证明。

图5. G4C7对癌细胞的影响。

作者发现，剧烈的钾离子外流会导致内质网应激，钙火花，活性氧升高，细胞色素c释放和线粒体膜电位丢失等现象的产生，最终导致癌细胞凋亡。