通過非侵入式的超聲方式進行精切控制深層組織的機械化學活化，對于深入理解基礎生物醫(yī)學以及改變疾病治療的方法意義深遠。但是目前還沒有開發(fā)一種具有超聲激活的理論指導的機械響應材料體系。有鑒于此，德州大學奧斯汀分校助理教授王輝亮、德州大學圣安東尼奧分校陳邦林教授等報道了通過聚焦超聲FUS（focused ultrasound）程序控制策略，對氫鍵有機框架材料（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，實現(xiàn)控制深部大腦內(nèi)的特定細胞事件。開發(fā)了一種理論模型，能夠?qū)C械切斷和超聲機械力學進行可視化的成像觀測，因此能夠提供具有價值的指導用于理性設計可編程控制的機械響應材料。為了驗證這種方法的有效性，設計將藥物分子氯氮平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)回路進行調(diào)控，僅僅延遲數(shù)秒。 這項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用于非侵入式和時間空間分辨的細胞事件控制，因此有助于實現(xiàn)精確分子治療。這項工作研究了HOF納米晶體作為機械響應平臺的前景，展示了HOF材料能夠通過超聲編程并且進行調(diào)控HOF骨架結(jié)構(gòu)的方式選擇性的激活（圖1a）。這項工作選擇氫鍵和芳環(huán)密度不同的四種OMBUs（有機分子結(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，通過動態(tài)光散射（DLS）和TEM表征驗證得到HOF納米晶體。測試結(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，含有四個羧酸的OMBUs形成了方形拓撲層狀結(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表征驗證了HOF-BTB、HOF-101、HOF-102的晶體結(jié)構(gòu)。 HOF-TATB是之前未曾報道的新型結(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)的溶劑可及比例達到50.3 %，這個結(jié)果表明HOF-TATB具有優(yōu)異的載藥應用前景。通過粉末XRD表征，HOF-TATB納米晶體晶體的純度，并且具有長達1周的水解穩(wěn)定性。通過77 K的氮氣吸附實驗和195 K的二氧化碳吸附實驗，驗證四種HOF都具有多孔結(jié)構(gòu)。測試超聲切斷溶液相中的HOF納米晶體。測試超聲處理過程中，不同時間的骨架切斷程度（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含有溶解的OMBUs，通過UV-Vis光譜表征計算超聲處理過程中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的平衡解離分別達到91.8%，45.3%，11.6%，4.7%。這個結(jié)果表明超聲驅(qū)動HOF解離是熱力學過程。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，打破分子間非共價化學鍵并且導致骨架解離的驅(qū)動力來自超聲而非熱量。HOFs材料展示了優(yōu)異的超聲編程機械活化性能，只有當超聲功率達到一定的數(shù)值才可能激活HOF，超聲能量的閾值與OMBUs有關（圖2a-d）。超聲驅(qū)動HOF解離以及編程解離機理。通過DFT理論計算研究HOFs的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關系，計算內(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HOF解離過程中，超聲場能夠影響反應的自由能，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)）。反應建模的結(jié)果表明ln(k)與Ecohesive之間具有線性關系，因此能夠推測不同ln(k)時所需的最低Ecohesive。此外，本研究發(fā)現(xiàn)最小Ecohesive與超聲峰值壓力（EUS）之間具有線性關系。通過ln(k)與Ecohesive以及Ecohesive與EUS之間的現(xiàn)象關系，開發(fā)了三變量模型，解釋這些變量之間的關系。通過圖2f熱圖能夠預測在特定的超聲功率，HOF解離所需的Ecohesive，因此為設計超聲驅(qū)動藥物活化HOF提供指導。通過模型，能夠預測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OMBU的氫鍵數(shù)量增加，能夠顯著增強HOF納米晶體的超聲穩(wěn)定性。總之，機械化學鍵解離更容易對弱鍵構(gòu)成的骨架進行解離，因此對于含有的氫鍵數(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)異的藥物擔載量。擔載量分別為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驗，測試沒有超聲處理時的HOF納米晶體自由藥物釋放情況（圖2g）。結(jié)果表明，當沒有超聲能量，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%。超聲藥物釋放實驗結(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)果與理論預測相符（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HOF-TATB納米晶體對超聲最敏感，具有最低的超聲功率激活藥物釋放，并且具有最合適的時間分辨率。HOF-102納米晶體的穩(wěn)定性最高，藥物擔載量最高。為了對深層大腦實現(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。在擔載藥物后，HOF-TATB納米晶體的粒徑和形貌沒有變化（圖3a）。測試發(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脈沖的重復性刺激，HOF-TATB能夠重復性的釋放染料分子，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）、普魯卡因（procaine，一種止疼劑）都能夠擔載到HOF中，分別實現(xiàn)9.7?±?0.9?wt%，7.8?±?0.5?wt%，4.8?±?1.2?wt%的擔載量，并且能夠通過超聲實現(xiàn)按需釋放。通過溶血測試（haemolysis）和細胞活力測試（cell viability tests），驗證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。 化學遺傳學（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特的長期神經(jīng)調(diào)節(jié)能力，而且比光遺傳學相比具有最小的致免疫性。傳統(tǒng)的化學遺傳學技術通常受限于脫靶問題，并且因為藥代動力學導致的時間分辨率較低。為了解決這些困難與挑戰(zhàn)，這項研究能夠精確的激活設計藥物分子CNO，因此實現(xiàn)對深部腦區(qū)實現(xiàn)高時間分辨率。使用HOF-TATB納米晶體擔載CNO藥物分子，隨后超聲激活釋放CNO藥物，激活神經(jīng)元內(nèi)由設計藥物激活的受體（圖3e）。精確的定時激活靶向神經(jīng)元對于研究大腦活動與行為之間的關系非常關鍵。因此，通過光纖測量法（fibre photometry）評估超聲-化學遺傳學對小鼠的中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）的神經(jīng)元進行實時激活的性質(zhì)（VTA區(qū)域是非常重要的調(diào)節(jié)獎勵學習和抑郁的區(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，這個能量足以激活釋放CNO（圖3c）。對VTA區(qū)域的神經(jīng)元使用病毒進行單側(cè)神經(jīng)轉(zhuǎn)導，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-化學遺傳學方法表現(xiàn)高時間分辨率，超聲刺激3.5 s延遲后激活神經(jīng)（圖4e）。此外，通過控制實驗驗證超聲處理和TATB@CNO納米晶體激活VTA的神經(jīng)（圖4f,g）。基于對VTA觀測發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)激活，測試了超聲-化學遺傳學方法調(diào)節(jié)小鼠獎勵學習行為的能力（圖4h），測試小鼠強迫游泳實驗的影響（圖4l）。圖4. 超聲化學遺傳學（sono-chemogenetic）體內(nèi)刺激小鼠深部腦圖5. 超聲化學遺傳學（sono-chemogenetic）體內(nèi)刺激大鼠深部腦 除了測試小鼠之外，對大鼠同樣進行體內(nèi)超聲-化學遺傳學腦深部刺激測試（圖5）。因為小鼠更小，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。對大鼠的測試結(jié)果表明，超聲-化學遺傳學能夠?qū)Υ笫蟮拇竽X深部進刺激，而且通過非侵入式刺激深層大腦，能夠有效的調(diào)節(jié)獎勵-學習行為。這項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結(jié)構(gòu)之間的相互作用，實現(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，較高的分子擔載量，超聲控制HOF解離的能力。超聲能量作為驅(qū)動力能夠進行編程，設計分子內(nèi)的非共價鍵剪切力，因此實現(xiàn)了機械力學活化。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)和功能之間關系的理論模型，為按需和編程進行理性和精確的HOF設計提供可能。由于HOF材料具有的以上優(yōu)勢，打開了通過超聲進行時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)療診療技術提供機會，比如化學遺傳學調(diào)控神經(jīng)回路。通過調(diào)節(jié)HOF納米晶體對超聲的敏感度，成功的實現(xiàn)了小鼠和大鼠的深層腦神經(jīng)回路在數(shù)秒內(nèi)的時間空間分辨率控制。這個研究結(jié)果表明超聲處理HOF能夠?qū)崿F(xiàn)時間分辨和長期性的神經(jīng)調(diào)控的超聲-化學遺傳學，而且能夠盡量減少侵入式危害。這項研究將超聲HOF技術能夠?qū)⑺幬飺d、生物穩(wěn)定性、低致免疫性、超聲編程結(jié)合，因此達到非侵入式的精確醫(yī)療。超聲HOF技術能夠以按照設計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胞事件。這項工作作為一種精確的非侵入式分子控制技術，有可能應用于可編程分子機器人用于深層組織細胞事件的復雜控制。 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
