《JACS》发表刘俊秋教授/闫毅教授团队关于人工离子通道动态调控的研究成果

近日，学院刘俊秋教授/闫毅教授团队在Journal of the American Chemical Society期刊在线发表题为《Photo-Switchable Supramolecular Interactions Regulate K⁺ Transmembrane Transport and Cancer Cell Apoptosis》的研究论文。

天然通道蛋白（NCPs）以其高效且选择性的跨膜传输能力著称，能够精准运输离子和水分子等物质，并对外界刺激产生动态响应。尤为引人注目的是，这些NCPs在传输过程中展现出复杂的多态性（包括亚状态），远非简单的“开”或“关”两种状态。以离子型谷氨酸受体为例，这种四聚体配体门控离子通道在与激动剂谷氨酸结合后，其孔道不仅会打开，还会呈现出四种不同的电导状态，体现了其功能的高度复杂性。尽管如此，开发一种能够模拟NCPs行为、响应光、pH值或配体等外部刺激并表现出多种传输状态的仿生跨膜系统，仍然面临巨大的挑战。

针对以上问题，刘俊秋教授/闫毅教授团队在前期工作（Advanced Materials 2024, 36, 2312352.基于分子马达和逻辑门相结合的策略）的基础上，发展一种调控超分子作用力从而调节K⁺跨膜传输的新策略，并将该人工K⁺通道用于抗癌治疗。基于“一石二鸟”的设计理念，作者设计并合成了一种基于含偶氮苯基元的单链随机杂聚物（RHPs）的光控人工钾离子通道（P3）。P3在脂质体和癌细胞中，均表现出三种不同的K⁺传输状态，包括“开启”、“部分关闭”和“完全关闭”在内。这些状态的切换是通过超分子相互作用的变化引起的构象调整实现的。两组超分子作用力（（1）氢键和π-π相互作用；（2）主客体相互作用）可以通过P3中偶氮苯基元的可逆顺反异构化及其与β-环糊精的主客体复合来调控，且这些过程分别由365 nm和450 nm波长的光控制。细胞实验表明，P3诱导的显著K⁺外流（4分钟内减少50%）触发了癌细胞凋亡，其途径包括内质网（ER）应激、钙火花、活性氧（ROS）生成、线粒体膜电位（MMP）丢失以及细胞色素c的释放。P3不仅为仿生跨膜传输系统提供了可控模型，还展现了作为抗癌治疗剂的潜在应用价值。

在刘俊秋教授和闫毅教授的精心指导下，该工作主要由学院博士研究生李聪（论文的第一作者）完成。刘俊秋教授（客座教授）、闫毅教授以及杭师大王婷婷副教授和闫腾飞副教授为论文的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金，科技部重点研发计划等项目的资助与支持。

论文信息：

Cong Li, Yaqi Wu, Sheng Bao, Hui Li, Zhengwei Xu, Jing Yan, Xiaoxuan Yu, Lei He, Tianlong Zhang, Wang Liu, Shida Hou, Yang Zhang, Jiayun Xu, Tengfei Yan*, Tingting Wang*, Yi Yan*, and Junqiu Liu*. Photo-Switchable Supramolecular Interactions Regulate K⁺ Transmembrane Transport and Cancer Cell Apoptosis, Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI:10.1021/jacs.4c14583.

论文连接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c14583.

图文简介：

方案 1. 光控超分子作用力用于钾离子跨膜传输和癌细胞凋亡；（A）P1-P3的化学结构及P3在光照射或与β-环糊精（β-CD）复合后结构变化的示意图；（B）癌细胞凋亡机制及P3多种钾离子传输状态（如“开启”、“部分关闭”和“完全关闭”）的示意图

图 1. 基于LUVs和脂双层的离子传输活性和选择性评估实验；（A）基于LUVs的HPTS实验示意图；（B）P1、P2和P3的阳离子传输活性；（C）基于HPTS的FCCP实验示意图；（D）FCCP实验验证了P3传输K⁺的速率快于H⁺；（E）EC₅₀值评估；（F）用于检测Cl^-传输的氯离子敏感性SPQ分析示意图；（G）归一化氯离子传输活性；（H）在不对称盐溶液中测得的P3通道电流信号；（I）K⁺/Na⁺选择性测试；（J）由高K⁺/Na⁺选择性产生的膜电位和去极化过程示意图；（J）加入P3后，负载于LUVs外部的番红O染料的相对荧光强度变化

图 2.光异构化和主客体复合研究；（A）Trans-M1的光异构化研究；（B）Trans-M5与β-CD的主客体复合研究；（C）Trans-M1的部分¹H NMR谱图及其在365 nm光照射30分钟和450 nm光照射15分钟后的变化；（D）Trans-M5与β-CD及其复合物的部分¹H NMR谱图； （E）Trans-M1的紫外-可见光谱变化；（F）Trans-M5的紫外-可见光谱及其在加入β-CD后的变化；（G）Trans-M1组装纤维（左）与未组装的Cis-M1（右）的透射电子显微镜（TEM）图像

图 3. 光控多种K⁺传输状态研究；（A）HPTS染料的相对荧光强度（左）及多次可逆循环变化（右）；（B）P2与不同浓度β-CD预孵育30分钟后测定的HPTS染料的相对荧光强度；（C）P2与β-CD复合物预照射365 nm光2分钟后，钾离子传输性能恢复；（D）P2与β-CD多次复合与解复合后，钾离子传输活性的“开-关”循环；（E）HPTS染料的相对荧光强度，分别在P3预照射365 nm和450 nm光3分钟后测定；（F）P3被365 nm和450 nm光预照射3分钟后，钾离子传输的多次可逆循环变化；（G）原位交替照射365 nm和450 nm光5秒，调控P3的钾离子传输；（H）P3与β-CD多次复合与解复合后，钾离子传输活性的“开-关”循环

图 4. K⁺外流与癌细胞凋亡研究；（A）B16F10和U87MG细胞与P3孵育24小时后的细胞存活率剂量依赖性曲线；（B）代表性共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像，展示U87MG细胞在加入P3后不同时间点的钾离子外流情况；（C）U87MG细胞在加入DMSO、P3或P3与CsCl的混合物后，细胞质内钾离子浓度的变化

图文：闫毅

审核：姚东东