Small:基于金属-有机框架的体外诊断设备用于特异性捕获和释放肿瘤细胞

1、研究背景:

用于液体活检的体外诊断设备 (In Vitro Diagnostic Devices,IVD)可实现生物标志物(如胞外囊泡、无细胞核酸和循环肿瘤细胞)的非侵入式和动态检测,在疾病进展和治疗效果的诊断、预后和监测方面具有巨大的前景。IVD通常需要对生物标志物具有高富集性、高灵敏度和特异性;然而,体液(如细胞碎片、正常血细胞等)的复杂性会阻碍IVD对生物标志物的选择性捕获。此外,其材料捕获机制可能会导致生物标志物发生不可恢复的变化,从而影响其准确性。因此,选择能够有效捕获生物标志物且具有良好细胞相容性的材料至关重要。金属有机框架(Metal-organic framework, MOF),由有机配体和金属离子或含金属簇构成,其具有多功能、定制的孔径和多样性的成分和结构,其和硼酸官能团的组合,可用于捕获顺式二醇类的物质。然而,利用硼酸功能化MOF的 IVD 捕获肿瘤细胞的设计尚未见报道。通常,后修饰技术可在MOF表面引入硼酸官能团,但其复杂且缓慢的共轭化学过程、官能团共轭效率低、表面覆盖不均匀等,限制了其实际应用。为有效引入硼酸官能团,使用含硼酸官能团的配体可增强MOF的硼酸功能化,有助于同时提高体外诊断设备制造的简单性和癌细胞的亲和力。此外,具有部分结晶或无晶型结构的缺陷MOF 由于其优异的性能、化学和结构的可调性及扩大的孔隙率,同时保持了MOF的原始稳定性和化学性质,在生物医学应用中备受关注。因此,通过简便、高效的合成策略开发具有高整合度的硼酸官能团、高缺陷度的MOF具有重要意义。

2. 文章概述:

近日,新南威尔士大学Kang Liang团队提出了一种基于金属有机框架的打印技术制备体外诊断设备,可用于特异性捕获和释放肿瘤细胞。通过溶剂热合成法制备了高度缺陷且富含硼酸官能团的MOF(boronic acid-rich MOF,BMOF),随后BMOF被打印在不同的纸基材料(如滤纸和聚偏二氟乙烯膜)上,用于选择性捕获肿瘤细胞。结果表明,吡唑有机配体的pH响应性和BMOF对葡萄糖的高亲和力赋予BMOF打印纸具有双重响应特性,可在不影响癌细胞活力的情况下捕获和释放癌细胞(图1)。此外,BMOF对癌细胞的亲和力还能设计所需的细胞模式,突出其作为细胞捕获和分析的小型化设备的实用性。因此,硼酸功能化和高度缺陷的MOF的一步合成法和简单的喷墨打印技术可以轻松制备具有优异肿瘤细胞捕获效率的IVD,为其在生物医学领域的应用提供了机会。

图1. 示意图显示了 BMOF打印纸基 IVD 的构建,用于特异性捕获和释放的肿瘤细胞,其具有pH和葡萄糖双重响应性。

3、图文导读:

图2. a)BMOF的SEM 图;b) XRD图;c) THz-Far-IR图;d) PDF谱;e) BMOF的3D分子结构模型。f) BMOF印刷滤纸和PVDF膜的照片。g) BMOF印刷滤纸的SEM图;h) BMOF印刷滤纸的三维AFM图像。
图3. a)BMOF印刷滤纸捕获MCF-7细胞的数量和b)代表性CLSM图像。c) BMOF印刷滤纸和PVDF膜中捕获MCF-7细胞的数量。d) 流式细胞术分析从BMOF印刷滤纸上洗脱的细胞。e)CLSM图显示BMOF打印的滤纸选择性捕获MCF-7。f) BMOF印刷滤纸捕获MCF-7细胞的灵敏性。
图4.BMOF打印的IVD捕获和释放肿瘤细胞的双重响应性。
图5. 基于BMOF 对癌细胞的亲和力设计所需的细胞模式及其细胞兼容性。

4、结论:

利用富含硼酸官能团的有机物作为BMOF的结构配体和功能化官能团,通过简便的一步合成法制备了高度缺陷且富含硼酸官能团的BMOF。BMOF打印的IVD显示出其从非癌细胞的混合物中快速和特异性捕获癌细胞的能力,且具有良好的细胞兼容性。此外,BMOF对葡萄糖的高亲和力和硼酸配体pH相关的响应性赋予了其可逆捕获和释放癌细胞的能力,展示了BMOF打印的IVD具有葡萄糖和 pH 的双重响应特性。 此外,BMOF与癌细胞间的高亲和力也促进了其受控微模式的发展,这有望促进基于MOF的生物传感器和用于肿瘤细胞诊断应用的 IVD生产。

论文信息:

De Novo Engineering of Metal–Organic Framework-Printed In Vitro Diagnostic Devices for Specific Capture and Release of Tumor Cells

Jieying Liang, Jian Liu, Megan S. Lord, Yu Wang, Kang Liang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103590

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103590