除了经典的脂质膜包裹的细胞器外，细胞内空间还高度拥挤着大分子，并包含各种无膜的液滴区室，即通过多价相互作用稳定的液相分离的凝聚层（图1a）。同时，细胞外凝聚层，例如在神经突触连接处发现的凝聚层，对于诸如神经元通讯等细胞功能也至关重要。这些凝聚层液滴可以发展出异质的多相结构，例如具有多层液相和液泡形态的核-壳子结构，从而潜在地定位和分离出不同的生物过程集，而无需依靠膜边界调节细胞功能。体外模拟具有这些天然凝聚层形态，物理和功能复杂性的合成凝聚层具有挑战性且至关重要。不同于经典的聚电解质液相分离制备均相形态的合成凝聚层，边黎明教授团队开发了一种通用的氢键驱动纳米粒子自组装策略以制造液泡化的异质凝聚层（图1b）。该策略适用于具有不同化学组成的交互式核-壳纳米粒子（图1c）。

图1.纳米粒子组装的液泡化异质凝聚层模拟天然凝聚层的复杂性。

  基于这种纳米粒子自组装策略以制造液泡化异质凝聚层的策略，研究成员证明了所获得的纳米粒子组装凝聚层包含生理条件下稳定的内部液泡，以提供分离的微区室并介导各种大分子的空间异质分布（图2）。外部施加的机械力会暂时破坏纳米粒子组装凝聚层的基质，并为大分子被包封在液泡中创造一个机会窗口（图2a-e）。同时纳米粒子组装凝聚层基质（具有密集的疏水核和PEG链的组装纳米颗粒的集合）可以充当高度拥挤的屏障，以在接近平衡条件下将内部液泡与周围环境隔离（图2f-i）。

图2.液泡化的纳米粒子组装凝聚层介导各种大分子的空间异质分布。

  此外，液泡化的纳米粒子组装凝聚层可以提供具有时空分子异质性的理想3D间隔细胞微环境，以时空受控的方式调节细胞行为。相信这种纳米粒子自组装策略可以推广到具有不同化学组成的核壳纳米粒子，从而提供一种简单但通用的方法来精确控制两亲聚合物进行多相凝聚层组装，并且为研究天然凝聚层的复杂性提供新颖的见解。这项研究结果已于近期在《Advanced Materials》以“Nanoparticle-Assembled Vacuolated Coacervates Control Macromolecule Spatiotemporal Distribution to Provide a Stable Segregated Cell Microenvironment”为标题发表。

  该工作第一作者为香港中文大学生物医学工程系赵鹏超博士，通讯作者为边黎明教授。该工作得到香港研究资助局研究资金的支持。

  文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202007209

  边教授长期致力于发展先进纳米材料与水凝胶材料在生物医学领域的应用，并且逐渐建立了从基础材料学，生物医学研究到医疗应用研究的多方向的深度研究。边教授课题组近期在高水平学术期刊发表多篇论文。

1. Bioadhesive hydrogels demonstrating pH-independent and ultrafast gelation promote gastric ulcer healing in pigs. Science Translational Medicine, 2020, 12, 558, eaba8014.

2. Immunoregulation of macrophages by dynamic ligand presentation via ligand-cation coordination. Nature Communications, 2019, volume 10, Article number: 1696.

3. Conformational manipulation of scale-up prepared single chain polymeric nanogels for multiscale regulation of cells. Nature Communications, 2019, volume 10, Article number: 2075.

4. Synthetic presentation of noncanonical Wnt5a motif promotes mechanosensing-dependent differentiation of stem cells and regeneration. Science Advances, 2019, 5: eaaw3896.

5. Dynamic and cell-infiltratable hydrogels as injectable carrier of therapeutic cells and drugs for treating challenging bone defects. ACS Central Science, 2019, 5 (3), pp 440–50.

6. Anisotropic nanoscale presentation of cell adhesion ligand enhances the recruitment of diverse integrins in adhesion structures and mechanosensing-dependent differentiation of stem cells. Advanced Functional Materials, 2019, 1806822.

7. Remote control of heterodimeric magnetic nanoswitch regulates the adhesion and differentiation of stem cells. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (18), 5909-5913.

8. Adaptable hydrogels mediate cofactor-assisted activation of biomarker-responsive drug delivery via positive feedback for enhanced tissue regeneration. Advanced Science, 2018 Dec; 5(12): 1800875.

9. Organic semiconducting polymer nanoparticles for photoacoustic labelling and tracking of stem cells in the second near-infrared window. ACS Nano, 2018, 12 (12), 12201–2211.

10. In situ reversible heterodimeric nanoswitch controlled by metal ion-ligand coordination regulates the adhesion, release, and differentiation of stem cells. Advanced Materials, 2018, 30(44), adma.201803591.