细胞内聚合反应作为新兴技术，在调节细胞行为等方面极具潜力，但由于细胞环境的复杂性使该技术的发展仍然具有挑战性。细胞环境中有丰富的生物大分子和活性物种，充满了未知和机遇。将化学反应从实验室转移到细胞微环境被认为是一种调节细胞活动的强有力的工具。目前关于细胞内化学聚合反应的报道依然很少，但该领域的发展将会为化学家理解分析和调节细胞世界提供巨大的可能性。

近日，清华大学许华平教授在JACS上发表了题为“Oxidative Polymerization in Living Cells”的研究论文，发展了一种新颖的、可在细胞内发生的、无需外界刺激的氧化聚合反应。该聚合反应由细胞内活性氧 (ROS)的触发，因此能够有选择性的在癌细胞内进行并通过独特的自放大机理诱导细胞凋亡。

图1 用于氧化聚合反应的碲纳米材料(TNRs)的合成与表征。a 含碲分子的氧化聚合反应；b TNRs的合成过程；c (HO−EG₄−C₆)₂−Te，用于制备TNRs的有机碲化物的化学结构；d TEM成像；d 动态光散射(DLS)表征结果；f  X射线衍射光电子能谱。

图2 TNR的原位氧化聚合反应。a 原位聚合反应过程的示意图；b TNR与H₂O₂反应后的聚合物的核磁表征；c 用凝胶渗透色谱(GPC)分析TNR与100 μM H₂O₂分别反应6、12、18和24 h后的聚合物，反应24 h后的分子量为6.3 kDa (PDI = 1.53)；d 碲结合能的变化表明发生了聚合反应过程；e TNRs与H₂O₂在水溶液中反应不同时间后的照片，证明了氧化聚合反应在不断发生；f 反应不同时间后的DLS结果；g 反应不同时间后的TEM图像。

图3 细胞内氧化聚合反应诱导的选择性抗癌作用。a HepG2细胞与不同浓度TNRs孵育24 h后的Calcein/PI染色(绿色为活细胞，红色为死细胞)；b L02和HepG2细胞与不同浓度TNRs孵育24 h后的的细胞活力；c其他细胞系与不同浓度TNRs孵育24 h后的的细胞活力；TNRs在癌细胞和正常细胞之间具有选择的细胞毒性。d L02和HepG2细胞经不同剂量的H₂O₂预处理6 h，再与TNRs孵育24 h后细胞活力的变化，结果表明该聚合反应是ROS触发的。e流式细胞术分析不同条件处理的HepG2细胞内的ROS；f 不同条件处理后细胞内硫氧还蛋白还原酶(TrxR)和(g)谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPx4)的酶活性；h 不同条件处理后HepG2细胞的共聚焦成像 (绿色为ROS，蓝色为细胞核)。I 蛋白免疫印迹实验表明，与TNRs孵育后细胞内TrxR和GPx4表达下调。

图4 细胞内聚合反应选择性抗癌作用的机理研究。a 癌细胞自循环和自放大过程示意图。HepG2细胞分别与10 μg mL ^-1 (b)和20 μg mL ^-1 (c)的TNRs孵育12 h后的TEM图像，红色箭头标记了TNRs的位置，结果显示浓度越大，其尺寸也显著增大。d HepG2细胞经不同条件处理12 h后使用JC-1染色的共聚焦荧光成像图，表明ROS破坏了线粒体膜电位。(e) 蛋白免疫印迹实验表明该过程为ROS诱导的细胞凋亡过程。

图5 细胞内氧化聚合反应用于体内癌症治疗。a 不同条件处理组肿瘤的照片；b HepG2 -荷瘤小鼠(n = 5)静脉注射PBS(对照组)或不同药剂后的相对肿瘤生长曲线；c治疗过程中不同组HepG2荷瘤小鼠的体重变化；d 静脉注射各种药物24小时后肿瘤切片的共聚焦荧光成像，用ROS探针(DHE)染色；e H&E染色的不同组肿瘤切片图像；f 通过末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP末端标记(TUNEL)染色对不同组的肿瘤切片进行共聚焦荧光成像。实验结果证明该方法可以用于体内癌症治疗。

本工作报道了一种能够在活细胞内发生聚合反应的新策略，结合了有机碲化物的配位能力和超灵敏氧化反应性。这种反应可以在癌细胞的内环境中发生，选择性诱导癌细胞凋亡。与以前的方法不同，该聚合方法不需要高浓度的单体，也不需要外界刺激来进行反应，它可以通过简单地利用细胞内微环境来启动和维持。这种方法将拓展细胞内聚合反应的领域，为在体内选择性操控细胞行为提供更多思路。

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.1c04821

许华平，清华大学化学系教授。研究领域为含硒/碲高分子，主要集中在含硒聚合物的制备和其独特的刺激响应和动态特性，以及其在适应性和生物医学材料领域的多种应用。

编辑：陈朋飞

审核：曹琳歆