通過非侵入式的超聲方式進(jìn)行精切控制深層組織的機(jī)械化學(xué)活化，對(duì)于深入理解基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)以及改變疾病治療的方法意義深遠(yuǎn)。但是目前還沒有開發(fā)一種具有超聲激活的理論指導(dǎo)的機(jī)械響應(yīng)材料體系。有鑒于此，德州大學(xué)奧斯汀分校助理教授王輝亮、德州大學(xué)圣安東尼奧分校陳邦林教授等報(bào)道了通過聚焦超聲FUS（focused ultrasound）程序控制策略，對(duì)氫鍵有機(jī)框架材料（HOF）控制激活藥物，通過按照需要的方式切斷超分子相互作用，實(shí)現(xiàn)控制深部大腦內(nèi)的特定細(xì)胞事件。開發(fā)了一種理論模型，能夠?qū)C(jī)械切斷和超聲機(jī)械力學(xué)進(jìn)行可視化的成像觀測(cè)，因此能夠提供具有價(jià)值的指導(dǎo)用于理性設(shè)計(jì)可編程控制的機(jī)械響應(yīng)材料。為了驗(yàn)證這種方法的有效性，設(shè)計(jì)將藥物分子氯氮平CNO（clozapine N-oxide）組裝到HOF納米晶體內(nèi)，通過FUS控制釋放藥物分子，激活小鼠和大鼠VTA區(qū)域的工程化G蛋白偶聯(lián)受體，能夠?qū)? mm深層的靶向神經(jīng)回路進(jìn)行調(diào)控，僅僅延遲數(shù)秒。 這項(xiàng)工作展示了超聲能夠精確的控制分子之間相互作用，用于開發(fā)超聲編程HOFs用于非侵入式和時(shí)間空間分辨的細(xì)胞事件控制，因此有助于實(shí)現(xiàn)精確分子治療。圖1. 超聲機(jī)械響應(yīng)型HOFs的制備這項(xiàng)工作研究了HOF納米晶體作為機(jī)械響應(yīng)平臺(tái)的前景，展示了HOF材料能夠通過超聲編程并且進(jìn)行調(diào)控HOF骨架結(jié)構(gòu)的方式選擇性的激活（圖1a）。這項(xiàng)工作選擇氫鍵和芳環(huán)密度不同的四種OMBUs（有機(jī)分子結(jié)構(gòu)單元，organic molecular building units），合成了四種多孔HOF納米晶體，HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102（圖1b）。合成使用沉淀法，通過動(dòng)態(tài)光散射（DLS）和TEM表征驗(yàn)證得到HOF納米晶體。測(cè)試結(jié)果表明HOF的尺寸為250-500 nm，多分散指數(shù)為0.2-0.3。在HOF-101和HOF-102中，含有四個(gè)羧酸的OMBUs形成了方形拓?fù)鋵訝罱Y(jié)構(gòu)。通過π-π堆疊，相鄰的2D方形層形成含有1D菱形通道的3D晶體（圖1b）。通過粉末XRD表征驗(yàn)證了HOF-BTB、HOF-101、HOF-102的晶體結(jié)構(gòu)。 HOF-TATB是之前未曾報(bào)道的新型結(jié)構(gòu)，因此通過微晶體電子衍射（microED）確定其結(jié)構(gòu)。HOF-TATB內(nèi)的H3TATB OMBUs通過氫鍵和π-π堆疊，自組裝形成雙重互穿3D氫鍵(3,4)-網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)去除客體分子甲醇，HOF-TATB沿著b軸方向呈1D通道結(jié)構(gòu)，通道的尺寸為12.2×23.9 ?，晶體內(nèi)的溶劑可及比例達(dá)到50.3 %，這個(gè)結(jié)果表明HOF-TATB具有優(yōu)異的載藥應(yīng)用前景。通過粉末XRD表征，HOF-TATB納米晶體晶體的純度，并且具有長(zhǎng)達(dá)1周的水解穩(wěn)定性。通過77 K的氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)和195 K的二氧化碳吸附實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證四種HOF都具有多孔結(jié)構(gòu)。測(cè)試超聲切斷溶液相中的HOF納米晶體。測(cè)試超聲處理過程中，不同時(shí)間的骨架切斷程度（圖2a-d）。在超聲作用下，OMBUs從HOFs中切斷并溶解，離心得到的上層清液確認(rèn)含有溶解的OMBUs，通過UV-Vis光譜表征計(jì)算超聲處理過程中OMBUs切斷的比例。表征的結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)的HOF在超聲處理過程中達(dá)到特征性的解離平衡。 在1.5 MHz的超聲波和8.04 MPa的功率下，HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102的平衡解離分別達(dá)到91.8%，45.3%，11.6%，4.7%。這個(gè)結(jié)果表明超聲驅(qū)動(dòng)HOF解離是熱力學(xué)過程。但是，在100 ℃加熱5 min后，沒有發(fā)現(xiàn)HOF產(chǎn)生解離，說明這些HOF具有非常高的熱穩(wěn)定性。因此，打破分子間非共價(jià)化學(xué)鍵并且導(dǎo)致骨架解離的驅(qū)動(dòng)力來自超聲而非熱量。HOFs材料展示了優(yōu)異的超聲編程機(jī)械活化性能，只有當(dāng)超聲功率達(dá)到一定的數(shù)值才可能激活HOF，超聲能量的閾值與OMBUs有關(guān)（圖2a-d）。超聲驅(qū)動(dòng)HOF解離以及編程解離機(jī)理。通過DFT理論計(jì)算研究HOFs的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系，計(jì)算內(nèi)聚能（Ecohesive），結(jié)果表明溶液中的HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102的內(nèi)聚能從低到高，因此這些HOFs的穩(wěn)定性逐漸增加（圖2e）。在超聲驅(qū)動(dòng)HOF解離過程中，超聲場(chǎng)能夠影響反應(yīng)的自由能，因此In(k)隨著超聲功率的改變而變化（k，HOF的解離平衡常數(shù)）。反應(yīng)建模的結(jié)果表明ln(k)與Ecohesive之間具有線性關(guān)系，因此能夠推測(cè)不同ln(k)時(shí)所需的最低Ecohesive。此外，本研究發(fā)現(xiàn)最小Ecohesive與超聲峰值壓力（EUS）之間具有線性關(guān)系。通過ln(k)與Ecohesive以及Ecohesive與EUS之間的現(xiàn)象關(guān)系，開發(fā)了三變量模型，解釋這些變量之間的關(guān)系。通過圖2f熱圖能夠預(yù)測(cè)在特定的超聲功率，HOF解離所需的Ecohesive，因此為設(shè)計(jì)超聲驅(qū)動(dòng)藥物活化HOF提供指導(dǎo)。通過模型，能夠預(yù)測(cè)HOF-TATB，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102所需的理論超聲功率的閾值分別為0.07，0.82，4.55，7.33 MPa（圖2e）。其中，當(dāng)OMBU的氫鍵數(shù)量增加，能夠顯著增強(qiáng)HOF納米晶體的超聲穩(wěn)定性。總之，機(jī)械化學(xué)鍵解離更容易對(duì)弱鍵構(gòu)成的骨架進(jìn)行解離，因此對(duì)于含有的氫鍵數(shù)量更少、疇環(huán)芳香骨架結(jié)構(gòu)更少的HOF具有更高的超聲敏感性。 這些HOF表現(xiàn)了優(yōu)異的藥物擔(dān)載量。擔(dān)載量分別為HOF-TATB (15.1?±?1.4%)，HOF-BTB (15.8?±?2.7%)，HOF-101 (27.0?±?1.5%)，HOF-102 (29.8?±?1.3%)。這種高藥物擔(dān)載量能夠減少輸送藥物載體的用量，因此最大化的減少可能的副作用。通過染料分子釋放實(shí)驗(yàn)，測(cè)試沒有超聲處理時(shí)的HOF納米晶體自由藥物釋放情況（圖2g）。結(jié)果表明，當(dāng)沒有超聲能量，HOF-TATB在3天后釋放的量只有5.5?±?0.1%。由于Ecohesive更高，HOF-BTB，HOF-101，HOF-102釋放的染料分子更少，分別為1.9?±?0.9%，1.2?±?0.2%，0.1?±?0.1%。超聲藥物釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明，Ecohesive更低或者超聲功率增加，具有更高的釋放量（圖2h,i），結(jié)果與理論預(yù)測(cè)相符（圖2f）。 圖3. 超聲控制HOF-TATB納米晶釋放藥物分子以及體外調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)HOF-TATB納米晶體對(duì)超聲最敏感，具有最低的超聲功率激活藥物釋放，并且具有最合適的時(shí)間分辨率。HOF-102納米晶體的穩(wěn)定性最高，藥物擔(dān)載量最高。為了對(duì)深層大腦實(shí)現(xiàn)高分辨率的超聲控制釋放，采用HOF-TATB以盡量的減少超聲功率。在擔(dān)載藥物后，HOF-TATB納米晶體的粒徑和形貌沒有變化（圖3a）。測(cè)試發(fā)現(xiàn)能夠在臨床安全范圍內(nèi)的超聲功率（1.5 MHz，1.5 MPa）釋放藥物，并且沒有超聲的情況下不會(huì)產(chǎn)生藥物釋放（圖3b）。超聲活化閾值為0.51 MPa，隨著超聲功率增加，釋放的分子增加（圖3c）。此外，通過10 s脈沖的重復(fù)性刺激，HOF-TATB能夠重復(fù)性的釋放染料分子，因此能夠以四種不同的量釋放，分別為10.2?±?1.3%，5.0?±?3.0%，6.5?±?5.2%，10.0?±?4.4%（圖3d）。此外，HOF展示了作為一種普適性的超聲編程藥物遞送體系，通過超聲編程激活釋放各種藥物。比如，去氯氯氮平（deschloroclozapine，一種具有前景的遺傳藥物）、多巴胺（dopamine，重要的神經(jīng)遞質(zhì)，與帕金森病的成癮和治療有關(guān)）、普魯卡因（procaine，一種止疼劑）都能夠擔(dān)載到HOF中，分別實(shí)現(xiàn)9.7?±?0.9?wt%，7.8?±?0.5?wt%，4.8?±?1.2?wt%的擔(dān)載量，并且能夠通過超聲實(shí)現(xiàn)按需釋放。通過溶血測(cè)試（haemolysis）和細(xì)胞活力測(cè)試（cell viability tests），驗(yàn)證HOF-TATB沒有表現(xiàn)毒性或者溶血性，因此具有生物安全性。這個(gè)結(jié)果表明HOF-TATB納米晶能夠作為普適性的生物兼容性和生物安全的藥物遞送平臺(tái)。 化學(xué)遺傳學(xué)（Chemogenetics）使用工程G-蛋白偶聯(lián)受體用于激活特定藥物結(jié)合的神經(jīng)元，因此這種方式具有獨(dú)特的長(zhǎng)期神經(jīng)調(diào)節(jié)能力，而且比光遺傳學(xué)相比具有最小的致免疫性。傳統(tǒng)的化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)通常受限于脫靶問題，并且因?yàn)樗幋鷦?dòng)力學(xué)導(dǎo)致的時(shí)間分辨率較低。為了解決這些困難與挑戰(zhàn)，這項(xiàng)研究能夠精確的激活設(shè)計(jì)藥物分子CNO，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)深部腦區(qū)實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率。使用HOF-TATB納米晶體擔(dān)載CNO藥物分子，隨后超聲激活釋放CNO藥物，激活神經(jīng)元內(nèi)由設(shè)計(jì)藥物激活的受體（圖3e）。精確的定時(shí)激活靶向神經(jīng)元對(duì)于研究大腦活動(dòng)與行為之間的關(guān)系非常關(guān)鍵。因此，通過光纖測(cè)量法（fibre photometry）評(píng)估超聲-化學(xué)遺傳學(xué)對(duì)小鼠的中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）的神經(jīng)元進(jìn)行實(shí)時(shí)激活的性質(zhì)（VTA區(qū)域是非常重要的調(diào)節(jié)獎(jiǎng)勵(lì)學(xué)習(xí)和抑郁的區(qū)域）。使用1.4 MPa的超聲功率能夠在VTA區(qū)域產(chǎn)生0.9 MPa的超聲功率，這個(gè)能量足以激活釋放CNO（圖3c）。對(duì)VTA區(qū)域的神經(jīng)元使用病毒進(jìn)行單側(cè)神經(jīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)，隨后第4周后仍然在相同區(qū)域注射TATB@CNO（圖4a,b）。結(jié)果表明，通過對(duì)VTA區(qū)域施加超聲，發(fā)現(xiàn)成功的產(chǎn)生激活（圖4c,d）。超聲-化學(xué)遺傳學(xué)方法表現(xiàn)高時(shí)間分辨率，超聲刺激3.5 s延遲后激活神經(jīng)（圖4e）。此外，通過控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證超聲處理和TATB@CNO納米晶體激活VTA的神經(jīng)（圖4f,g）。基于對(duì)VTA觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)激活，測(cè)試了超聲-化學(xué)遺傳學(xué)方法調(diào)節(jié)小鼠獎(jiǎng)勵(lì)學(xué)習(xí)行為的能力（圖4h），測(cè)試小鼠強(qiáng)迫游泳實(shí)驗(yàn)的影響（圖4l）。圖4. 超聲化學(xué)遺傳學(xué)（sono-chemogenetic）體內(nèi)刺激小鼠深部腦圖5. 超聲化學(xué)遺傳學(xué)（sono-chemogenetic）體內(nèi)刺激大鼠深部腦 除了測(cè)試小鼠之外，對(duì)大鼠同樣進(jìn)行體內(nèi)超聲-化學(xué)遺傳學(xué)腦深部刺激測(cè)試（圖5）。因?yàn)樾∈蟾?，更便宜，有更多研究類型。大鼠具有更厚的頭骨，更大的腦組織，因此更符合臨床的需求。對(duì)大鼠的測(cè)試結(jié)果表明，超聲-化學(xué)遺傳學(xué)能夠?qū)Υ笫蟮拇竽X深部進(jìn)刺激，而且通過非侵入式刺激深層大腦，能夠有效的調(diào)節(jié)獎(jiǎng)勵(lì)-學(xué)習(xí)行為。這項(xiàng)工作展示了超聲激活的HOF材料體系，通過超聲控制分子化學(xué)結(jié)構(gòu)之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了分子尺度精確調(diào)控相互作用。HOF作為具有弱分子間氫鍵和弱π-π相互作用的3D多孔骨架材料，使得具有溶液相可調(diào)控的穩(wěn)定性，較高的分子擔(dān)載量，超聲控制HOF解離的能力。超聲能量作為驅(qū)動(dòng)力能夠進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)分子內(nèi)的非共價(jià)鍵剪切力，因此實(shí)現(xiàn)了機(jī)械力學(xué)活化。通過調(diào)節(jié)氫鍵的密度和疇環(huán)芳烴的數(shù)量，發(fā)展了能夠解釋HOF的結(jié)構(gòu)和功能之間關(guān)系的理論模型，為按需和編程進(jìn)行理性和精確的HOF設(shè)計(jì)提供可能。由于HOF材料具有的以上優(yōu)勢(shì)，打開了通過超聲進(jìn)行時(shí)間分辨激活且編程激活藥物，為非侵入式神經(jīng)控制和醫(yī)療診療技術(shù)提供機(jī)會(huì)，比如化學(xué)遺傳學(xué)調(diào)控神經(jīng)回路。通過調(diào)節(jié)HOF納米晶體對(duì)超聲的敏感度，成功的實(shí)現(xiàn)了小鼠和大鼠的深層腦神經(jīng)回路在數(shù)秒內(nèi)的時(shí)間空間分辨率控制。這個(gè)研究結(jié)果表明超聲處理HOF能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間分辨和長(zhǎng)期性的神經(jīng)調(diào)控的超聲-化學(xué)遺傳學(xué)，而且能夠盡量減少侵入式危害。這項(xiàng)研究將超聲HOF技術(shù)能夠?qū)⑺幬飺?dān)載、生物穩(wěn)定性、低致免疫性、超聲編程結(jié)合，因此達(dá)到非侵入式的精確醫(yī)療。超聲HOF技術(shù)能夠以按照設(shè)計(jì)的靈敏度和分辨率釋放不同類型的分子。因此能夠精確和非侵入的控制深層組織的各種細(xì)胞事件。這項(xiàng)工作作為一種精確的非侵入式分子控制技術(shù)，有可能應(yīng)用于可編程分子機(jī)器人用于深層組織細(xì)胞事件的復(fù)雜控制。 Wang, W., Shi, Y., Chai, W. et al. H-bonded organic frameworks as ultrasound-programmable delivery platform. Nature (2025).DOI: 10.1038/s41586-024-08401-0https://www.nature.com/articles/s41586-024-08401-0
