活性氧(ROS)是一类具有高反应活性的物质,其包括超氧阴离子自由基(O_2~(·-))、单线态氧(~1O_2)、和羟基自由基(·OH)以及过氧化氢(H_2O_2)等。ROS对于生物的生理活动与疾病治疗具有重要意义,一方面,具有高氧化活性的ROS如O_2~(·-),·OH可氧化生物大分子,因此在癌症以及细菌感染等病症的治疗中发挥积极作用;此外H_2O_2本身又是一种细胞内第二信使,基于其良好的选择性氧化,可将含半胱氨酸的离子通道蛋白氧化激活,引发生理信号,在重要生理活动中如细胞分裂、免疫系统激活、肌肉细胞的收缩、神经细胞电信号传递、内分泌腺激素分泌、干细胞定向分化等发挥着生物信号传递与激活的作用。但是ROS的氧化活性又是一把双刃剑,不可控的过量ROS会造成严重的生理氧化应激,比如组织的炎症反应,细胞的凋亡,衰老以及癌变等。科学家已经意识到的利用ROS对生命科学有着重要意义,但如何有效的控3-MA制ROS的生成是其在生物应用中的必须解决的一个问题。得益于近几十年纳米技术的蓬勃发展,各种纳米材料的喷涌而出,如超分子自组装纳米材料,金属有机框架材料(MOFs)等。超分子自组装纳米材料具有的合成便捷,可修饰性强,形貌大小可调等优点,愈来愈多的超分子自组装纳米材料被广泛的功能化并应用于各种领域;MOFs材料得益于得天独厚的多孔结构,惊人的比表面积,早已成为催化领域的明星材料,在光催化产H_2,电催化固碳和污染物治理等领域已经硕果累累;有机配体的繁多种类以及超强修饰性也给MOFs带来了多功能衍生物。超分子纳米材料以及MOFs在可控ROS生成方面也有了突破性进展,目前产生ROS的纳米材料的调控方法可分为化学调控,光调控,热调控,磁调控等。这些调控手段有效解决了ROS的“双刃剑效应”导致的不良反应,但是这些ROS生成纳米材料在应用过程中仍有些阻碍需要克服,比如利用ROS治疗癌症的纳米材料往往因为癌细胞的抗氧化机制导致治疗效果不佳;ROS生成纳米材料的效率低下导致细胞生理信号响应延迟较高。基于上述ROS生成纳米材料在生物应用中遇到的问题,我们将从纳米材料的结构与功能出发,结合材料本身的刺激响应能力,开发了两种可控刺激响应ROS生成纳米材料,根据ROS的生理作用探究了其在癌症治疗以及生物信号转导领域的相关应用,具体如下:1.ATP响应ROrthopedic infectionOS生成双酶协同纳米胶囊的构筑及抗癌应用ROS治疗癌症的效果往往受到癌细胞自身抗氧化系统的限制,在这部分工作中,为了解决此问题我们设计了硒酶模拟物有机配体,这种硒酶模拟物可催化降解GSH并破坏细胞内氧化还原平衡,同时硒酶模拟物有机配体和Zn~(2+)以配位自组装方式形成纳米胶囊IM-Se-Ph NPs,我们将这种纳米胶囊进一步功能化,在其内部负载天然葡萄糖氧化酶(GOx),在其外表面包覆单宁酸-Fe~(3+)(TA-Fe)纳米涂层材料,得到复合纳米胶囊GOx@IM-Se-Ph@TA-Fe NPs。这种纳米胶囊具有ATP响应能力,在ATP作用下配位键发生解散。实验表明,当GOx@IM-Se-Ph@TA-Fe NPs进入到细胞内后,在ATP作用下解散释放出GOx,硒酶模拟物有机配体IM-Se-Ph以及TA和Fe~(3+)。其中,GOx消耗葡萄糖产生大量H_2O_2,IM-Se-Ph在大量H_2O_2环境中催化GSH的降解,TA将Fe~(3+)还原为Fe~(2+),之后,Fe~(2+)介导Fenton反应生成强氧化性的·OH。最终,由于瘤内GSH水平较低,过量产生的·OH无法被消耗,促进了肿瘤细胞凋亡。体外细胞实验结果表明,复合纳米胶囊GOx@IM-Se-Ph@TA-Fe NPs对癌细胞杀伤作用高达70%,动物体内抗肿瘤实验也表明复合纳米胶囊具有良好的肿瘤抑制效果,且对正常组织影响较小。该策略基于双酶协同作用,实现了干扰细胞抗氧化系统达到增强化学动力学治疗效果的目的,这一研究为增强化学动力学治疗效果提供了新的思路。2.构建智能光控-H_2O_2生成MOLGK-974采购Fs材料受到催化领域油水两相高效光催化剂启发,我们通过纳米技术将高效光催化剂改造为光控-H_2O_2生成MOFs材料,开发了一种基于H_2O_2的生物信号激活工具。在这部分工作中,我们将高效光催化剂蒽炔结构进行合理修饰,得到13种光催化分子,实验筛选出催化能力最强的蒽烯分子结构,实验结果表明,蒽烯催化能力是蒽炔的1.3倍。我们通过纳米技术,将蒽烯分子结构改造为MOFs的有机配体,最终得到蒽烯MOFs纳米材料。蒽烯MOFs材料的光催化产H_2O_2能力相比于小分子提升超过100%,且克服了油水两相催化的局限,可在水相中进行催化产H_2O_2。我们通过循环伏安等实验进行计算,得出蒽烯光催化产H_2O_2的机理是通过还原O_2进行的。我们开发的智能光控-H_2O_2产生MOFs材料在白光照射下高效的产生H_2O_2,同时可在水中进行催化反应,是一种极具应用价值的生物信号引发器。3.智能光控-H_2O_2生成MOFs材料对细胞信号转导以及非洲爪蟾行为调控研究本章工作受到H_2O_2的信使分子功能启发,基于上一章光控-H_2O_2产生MOFs材料,我们使用MOFs材料对细胞信号转导以及非洲爪蟾行为的调控进行了研究。实验结果表明,光控-H_2O_2生成MOFs可有效操控单细胞内的Ca~(2+)信号的激发与传递,对多种细胞具有普遍适用性。在多细胞层面,我们成功引发小鼠心肌细胞(HL-1)的“点刺激,群响应”的Ca~(2+)信号的激发与传递,即通过刺激单个细胞引起周围一定范围内的细胞Ca~(2+)信号的激发与传递。同时,我们进一步将光控-H_2O_2生成MOFs材料应用于离体组织,并发现在组织间的Ca~(2+)信号的传递距离达200μm。我们对于信号传递机制进行研究,发现H_2O_2可使内质网上的Ca~(2+)通道激活,导致的Ca~(2+)信号激活,并引发周围细胞群体响应。在动物行为研究中,我们将光控-H_2O_2生成MOFs应用于视觉缺失蝌蚪,可使视觉缺失的蝌蚪重新获得感光能力;同时可以引发非洲爪蟾的非条件反射(搔扒反射)。我们的智能光控-H_2O_2生成MOFs材料具有高效,可重复,低毒性的优点,利用光刺激产生H_2O_2可在生物体的微观以及宏观层面进行生理调控。这种材料对于生物信号的研究提供了新思路,同时在化学,材料学,分子生物学等多学科交叉研究中给出了我们的见解。