近日，中科院合肥研究院強磁場(chǎng)中心王俊峰研究員課題組，在研究自然界趨磁細菌生物礦化機制的基礎上，仿生合成具有高效磁靶向及腫瘤組織穿透性的軟鐵磁類(lèi)磁小體納米材料，相關(guān)成果發(fā)表在美國科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）上。

　　抗腫瘤藥物的靶向遞送可以有效提高藥物的療效，降低藥物的毒性，是現代生物醫學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。由于復雜腫瘤組織環(huán)境產(chǎn)生的隙流體壓力增加以及組織中的致密細胞外基質(zhì)的限制，目前的納米藥物平均腫瘤靶向效率均低于1%，構成了腫瘤治療中的瓶頸之一。近年來(lái)，隨著(zhù)磁性納米藥物的發(fā)展，利用施加外部磁場(chǎng)提高磁性納米藥物靶向效率，即磁靶向，成為一種重要且安全的物理干預策略。

　　地球上許多動(dòng)物能利用地磁場(chǎng)導航，如鴿子、海龜、蜥蜴等都發(fā)展出獨特的磁導航機制長(cháng)途遷徙。同樣，原核生物中的趨磁細菌（Magnetotactic bacteria）也能夠響應地磁場(chǎng)定向游弋。趨磁細菌具有鞭毛和獨特的細胞內結構—磁小體（magnetosome）：由膜包被的納米尺寸的磁鐵礦顆粒構成的磁小體鏈狀排布，作為細菌的“生物羅盤(pán)”。結合鞭毛的動(dòng)力系統，趨磁細菌可以在地磁場(chǎng)或人工磁場(chǎng)中沿磁場(chǎng)方向定向移動(dòng)。趨磁細菌從周?chē)h(huán)境中獲取鐵元素，在嚴格的生物礦化機制調控下合成四氧化三鐵納米顆粒，并組裝成功能化的磁小體，可以快速地響應外部磁場(chǎng)。磁小體粒徑分布約在40-50nm，具有高度均一性。相比目前工業(yè)生產(chǎn)的磁性納米材料，磁小體在磁性能、生物兼容性、穩定性和磁熱效等指標具有明顯優(yōu)勢。因此，磁小體作為磁靶向的磁性納米顆粒，具有廣泛的應用前景。然而，天然磁小體顆粒之間的強磁相互作用導致從趨磁細菌中直接分離提取的磁小體在體外環(huán)境中十分容易聚集沉淀，從而阻礙了它們穿透病變組織的能力，并且在血管中的沉積也存在潛在的危險和生物毒性。因此，合成尺寸小但保留了天然磁小體軟鐵磁特點(diǎn)的類(lèi)磁小體納米材料，不僅是對仿生合成技術(shù)的挑戰，在生物醫學(xué)應用上也有著(zhù)巨大價(jià)值。

　　前期研究表明，趨磁細菌基因編碼的一個(gè)特殊蛋白Mms6，在調控磁小體晶體形貌中起到至關(guān)重要的作用。成熟的Mms6蛋白在N端有一個(gè)疏水區域，預測為膜結合區；C端有一個(gè)高酸性的結構域，推測是其與鐵離子結合的區域，參與磁小體晶體的形成。

　　在本研究工作中，基于課題組前期對磁小體生物礦化機制的系統性研究（Journal of Materials Chemistry B, 2017, 5(16): 2888-2895. ; ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(51): 56701-56711.），研究人員提出了類(lèi)磁小體仿生合成的新策略：考慮到趨磁細菌生物礦化所需的兩個(gè)關(guān)鍵因素：磁小體膜與磁小體調控蛋白，研究人員通過(guò)在反相膠束體系中引入Mms6蛋白，構建了一個(gè)類(lèi)似天然磁小體囊泡的納米反應器，在體外重構了趨磁細菌磁小體生物礦化的微環(huán)境。通過(guò)這一方法，仿生礦化合成的類(lèi)磁小體晶體成具有與天然磁小體一致的立方八面體的晶型以及類(lèi)似的磁學(xué)性質(zhì)及高飽和磁化強度，可以快速響應外部磁場(chǎng)，同時(shí)，仿生合成的類(lèi)磁小體還具有優(yōu)異的單分散性、均一的小尺寸和良好的親水溶性。體內MRI實(shí)驗與組織分布實(shí)驗結果表明，與其他磁性納米藥物相比，仿生合成的類(lèi)磁小體在腫瘤組織中的靶向性與穿透性提高了一個(gè)數量級。綜上所述，這項工作不僅為納米藥物磁靶向遞送提供一個(gè)高效的載體，也為體外研究趨磁細菌生物礦化機制提供了新的模式系統。

　　強磁場(chǎng)中心助理研究員馬坤、博士后許帥、博士生陶童祥，合肥研究院健康所副研究員錢(qián)俊超為文章的共同第一作者。強磁場(chǎng)中心王俊峰研究員為文章的通訊作者。強磁場(chǎng)中心張欣研究員、謝燦研究員以及健康所王宏志研究員共同參與此項課題研究。該項研究獲得國家自然科學(xué)基金、科技部重大專(zhuān)項、中科院合肥研究院院長(cháng)基金以及國家重大科技基礎設施“穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置”（SHMFF）的支持。

　　文章鏈接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2211228119 

圖1 ：趨磁細菌磁導航及其鏈狀排布的磁小體“生物羅盤(pán)”

　　圖2：模擬趨磁細菌生物礦化過(guò)程基于生物礦化調控蛋白Mms6 構建的反向微囊納米反應器

　　圖3：類(lèi)磁小體具有與天然磁小體一樣晶體形貌與磁學(xué)特性，可以高效響應外加磁場(chǎng)，實(shí)現針對腫瘤組織的靶向富集與高效滲透。（MRI實(shí)驗在穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置SM3上完成）