极性氨基酸与水(香芹酚掺入玉米醇溶蛋白和聚乳酸的电纺纤维膜用于食品包装)

香港城市大学: 简单剥离实现生物压电突破
研究背景
尽管人们正在努力开发具有优异压电性能的合成材料，但大自然似乎已经掌握这种效应数百万年了。2021年10月揭晓的诺贝尔生理学或医学奖破解了人类的痛觉和触觉奥秘，证实了细胞通过Piezo1和Piezo2蛋白的机电耦合效应感知压力的的机制。各种机电耦合效应其实广泛存在于生物体中，从氨基酸、多肽、病毒和纤维素等压电生物分子，到骨、羊毛、肌腱、和表皮等压电生物组织。压电生物材料由于压电效应对生物组织的潜在作用，以及其对植入式传感器、致动器和能量采集器的极好适用性而引起了人们的极大关注。然而，由于大规模组装和畴排列小生物分子的高成本和复杂性，对其生物压电性的大部分研究仍处于理论水平。此外，由于压电畴的无序和铁电性的缺乏，生物组织在宏观层面上几乎没有表现出压电特性，这限制了其压电性的检测和应用。

成果简介
近期，香港城市大学杨征保教授课题组提出了一种范德华剥离工艺（vdWE），利用软生物组织层状结构中微弱的范德华相互作用，通过简单的机械剥离制备厚度达到有效压电畴的超薄薄膜（100nm）。在此基础上，该研究团队对范德华层状小肠粘膜下层（SIS）的生物压电性进行了系统研究，首次通过PFM定量测定SIS的固有压电效应，并阐明了其生物压电性的起源。

图文导读
小肠粘膜下层（SIS）是小肠的中间层，支撑粘膜并将其连接到肌肉层。SIS是组织修复和临床前模型中研究最广泛的支架之一。由于其生物相容性和在跨物种移植中无不良反应，它在多用途生物医学应用方面具有巨大潜力。1968年，Fukada在宏观尺度上观察到小肠的直接压电效应。然而，由于SIS在宏观层面上的较弱的压电性以及测量技术的局限性，其固有压电效应的实验定量测定及其生物压电性的起源尚未得到证明。杨征保教授团队首先对SIS的结构进行了系统性表征，揭示了SIS中富含的胶原蛋白具有从亚纳米级氨基酸到微米级纤维的层次结构 （图1，图2所示）。

图1. 小肠粘膜下层（SIS）的结构表征

图2. AFM观察到的SIS三维形貌显示胶原蛋白原纤维呈现约67nm的D周期性

SIS由胶原纤维交联网络基于弱范德华力作用逐层组装而成。受石墨烯等二维材料加工方法的启发，该团队利用层状SIS中的弱范德华相互作用特性，提出了一种制备SIS超薄膜的vdWE方法。通过vdWE方法（重复剥离）制备的SIS超薄膜由单层或多层胶原纤维网络组成，厚度薄至100nm，为未剥离的原始SIS薄膜厚度的近1/800 (图3所示)。

图3. SIS超薄薄膜的制备过程和表征

该团队基于vdWE制备的SIS超薄膜，进行了定量PFM研究，以探测其生物压电性。图4D显示了SIS超薄膜面外振幅的PFM图像，没有表现出明显的压电响应，而图4E中面内振幅的PFM图像显示了与胶原纤维一致的压电畴。然而，由于SIS厚度和PFM深度分辨率的限制，对于未剥离的原始SIS中的PFM测量，面内信号和面外信号均未显示明显的压电性，这可能会误导得出SIS是非压电的结论。为了进一步研究SIS薄膜厚度对压电性能的影响并验证vdWE技术的有效性，研究人员对不同厚度的SIS薄膜进行了压电响应研究。如图4F所示， SIS薄膜的有效压电系数随着薄膜厚度的减小而增大，直至达到饱和水平约 3.3 pm/V。基于vdWE技术，超薄膜的压电响应比未剥离的原始薄膜增加了20多倍。这些结果引出了关键问题：为什么SIS不表现面外压电？未处理的原始SIS不表现压电响应的内在原因是什么？

图4. SIS超薄薄膜的PFM表征和压电系数测定

为了解答这些问题，研究人员进一步探究了SIS的极化方向，通过在基面上以30°的步长物理旋转样品，对SIS中的面内压电响应进行了角度依赖性研究 （图5所示）。结果表明，在垂直于薄膜表面的电场作用下，SIS的压电响应平行于胶原纤维的纵轴。极性方向应平行于原纤维轴，这表明SIS的压电系数d11=d22确实为0，且至少有一个剪切系数（d15，d14）不为0。

图5. SIS超薄膜的面内压电响应的角度依赖性研究

从以上结果可以得出结论，SIS由于其平面内极化方向和层状反平行压电畴，很难在较厚的宏观尺度表现出压电性。所提出的vdWE方法通过制备SIS超薄膜克服了压电性抵消的问题，从而有助于检测其压电性，并使压电生物组织的应用成为可能。此外，研究人员也设计了一个基于悬臂梁振动的生物传感器验证了SIS超薄膜压电性的实际应用。SIS超薄膜的自然生物相容性、灵活性和压电性使其成为植入式和可穿戴式电子设备中生态友好型机电微器件的理想材料选择。该研究所提出的vdWE技术具备简单、绿色环保等特点，符合当前电子设备小型化的发展趋势，并可以拓展应用到各种具有范德华层状结构的生物软组织材料。

科普作家Bethany Halford在博客上详细讲述了辉瑞的重磅COVID-19口服抗病毒药Paxlovid的开发过程，这个发现过程是个精彩绝伦的科学故事。

我一直对抗病毒小分子充满兴趣，所以我十分关注这些药物的开发，并一直在微博上报道。我之前讲过开发历经十几年的HIV重磅抗病毒药—HIV衣壳抑制剂GS-6207的发现过程。而这里的高活性抗病毒药Paxlovid的开发，只用了不到两年。其开发过程可以说是抗病毒小分子药物研发的另一个典范。我虽然对药物化学很感兴趣，但毕竟不是药化出身，希望学药化的同行指正。

Paxlovid可将COVID-19住院或死亡的风险降低88%，并且这是目前唯一可以降低病毒载量的小分子抗病毒药。随着高度传染性Omicron突变株导致COVID-19病例在世界范围内激增，医生们希望Paxlovid能成为一些患者的生命防线。上个月底FDA授权了Paxlovid的紧急使用（EUA），联邦政府立刻购买了2000万个疗程的药物。辉瑞宣布计划在今年进行1.2亿个疗程的生产，并寻求FDA的全部通过。

这个药物开发的故事开始于2020年3月13日，辉瑞美国麻省剑桥分布的英国裔药物化学家Dafydd Owen被要求在家上班（WFH），那时辉瑞关闭了大量办公室和实验室，并要求员工在家上班。而Owen的经理让他在家筹划开发抗病毒小分子，以应对疫情。Owen作为资深的药物化学家从英国剑桥大学获得有机合成博士学位，并在辉瑞公司工作了22年。11年前他移居美国，进入辉瑞的麻省剑桥分部。他擅长药物化学最经典的药物，酪氨酸激酶药物的高通量筛选（HTS）及开发。酪氨酸激酶靶点药物的开发，是药物化学领域最经典的开发案例，Janet Rowley发现慢性粒细胞白血病患者有异位形成的费城染色体表达酪氨酸激酶，瑞士诺华公司的靶向酪氨酸激酶的药物格列卫（Gleevec，imatinib）的开发故事被传颂了几十年

在这里之所以要谈格列卫，是因为开发抗病毒和开发抗肿瘤小分子药物具有共性，就是药物往往针对病毒和肿瘤的异常的酶结构，根据酶分子的构象设计和筛选药物。Owen之前没有开发过抗病毒药，对从头开发一种抗病毒药毫无头绪，但是他的酶化学及HTS经验赋予了他独特的创新视角。在周末疯狂补习抗病毒药物开发的同时，辉瑞公司决定优先开发SARS-CoV-2的主要蛋白酶3CL（Mpro）。

3CL的主要功能是切割病毒的复制酶replicase多蛋白pro-protein，经3CL切割后的replicase才具有功能。辉瑞之所以选择该靶点进行开发，主要是因为在2002-2003年非典疫情中，辉瑞开始开发SARS抗病毒药PF-00835231，PF-00835231的靶点是SARS-CoV的蛋白酶。PF-00835231始终没有进行临床试验，因为PF-00835231临床前开发时，SARS疫情已经结束。

PF-00835231是一个药物化学中的多肽类小分子药物，其富含氢键，具有极性表面，无法被肠道吸收，因此要将其改造成为口服SARS-CoV-2药物需要进行一系列化学修饰。这便是Owen团队面临的最大挑战。Owen最终于2020年4月重返实验室，在之后的13个月，他在家里设置了临时办公室，主要设计和讨论如何使PF-00835231及其抗病毒衍生物获得口服特性，其中一个策略是消除氢键供体，Owen团队由此运用了系统化学修饰，逐一消除氢键供体，再检测消除氢键后的每一个化合物的功能。该团队从PF-00835231中消除的第一个氢键供体是α-羟甲基酮。该位点与3CL中的半胱氨酸发生共价反应，因此药化专家推断他们可以将其替换为不是氢键供体的不同反应基团。他们选择了两个系列的化合物：一个具有苯并噻唑-2-基酮作为反应基团，另一个含有腈的反应基团。 直到药物活性实验接近尾声，化学家才在两者之间进行选择。

另一个重要的氢键供体位于PF-00835231的亮氨酸部分。Owen团队决定用可以消除N-H健的环状氨基酸替换该部分。为了实现类亮氨酸结合，该基序还具有一个带有两个甲基的稠合环丙基环。计算机辅助药物设计表明该结构将插入酶结合位点。而幸好这种设计有个先例：先灵葆雅曾在丙型肝炎（HCV）抗病毒药物boceprevir中使用过它。

这个化学修饰实际上是该工作最关键的部分。Owen评价说环化是有机合成中的大决战，它直接这个药物设计的成败，因为一旦分子环化后，化学修饰无法再改变分子构象。事实证明，这一设计是成功的，但代价是消除氢键后，该分子与蛋白酶口袋中的甘氨酸结合减弱，造成了药物活性的降低。为了恢复与甘氨酸的相互作用，研究团队将PF-00835231的吲哚进行了各种置换尝试，包括甲磺酰胺、乙酰胺和三氟乙酰胺。 这三个分子看起来很相似，但只有三氟乙酰胺的置换产物能被肠道吸收。