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科创湖南之星|这家细胞化学实验室的纳米胶囊让糖尿病伤口愈合更快

2023-12-16

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“见到你们非常开心,这种开心就是由于你们的出现诱导我的大脑神经细胞快速响应并分泌神经递质多巴胺的结果,多巴胺就是一种化学分子,它的化学式很简单C₈H₁₁NO₂。其实,人的情绪、健康状况、生理活动都是受化学分子调控的,而细胞是承载生命活动的基本单元。”

浅显易懂的开场白,来自“细胞化学”湖南省重点实验室常务副主任、长沙理工大学化学化工学院副院长卿志和教授,他试图从情绪角度为身为文科生的记者讲述细胞化学的魅力。再比如,生气时肾上腺素会激增,而肾上腺素也是一种化学物质,分子式为C9H13NO3。

本科学生物科学,硕士学生物医学,博士攻读化学,求学之路印证着卿志和对生命的认识——生命个体的组成与功能,离不开化学分子和化学反应。

“细胞化学”湖南省重点实验室以长沙理工大学为依托单位,于2019年组建立项,2023年通过验收,意在发展化学相关的测量新策略、新原理和方法,从分子水平上研究细胞的运动、增殖、分化、凋亡等基本生命活动及细胞内与细胞间的调节网络,阐明细胞内各组分的相互关系、调控机理以及其与疾病的关系,助力人类健康。基于此,实验室于2023年获批“健康化学”湖南省普通高等学校科技创新团队。

“实验室的主要任务就是,发展化学的方法、工具、手段,探究生命细胞的化学组成与变化,促进生命科学的发展和生物医学的分子诊断,从而助力健康中国建设。”卿志和说。

创新化学方法,分析细胞信息


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观测生命、记录生命、调控生命,成为实验室成员的工作常态。

在化学科研工作者眼里,化学元素极为丰富多彩,它是连接生物学、医学食品科学、材料科学的纽带。实验室里,研究生宋丽飞正在给斑马鱼喂食,细心观察着鱼的进食情况。她每天有一半的时间都在和它们打交道,实时监测斑马鱼从受精卵到成体的变化过程,并通过分子探针对斑马鱼发育过程中的重要信息分子进行成像分析。

斑马鱼是一种约3-5厘米长的脊椎动物,它的许多基因及发育机制与人相似,一对斑马鱼每周可以配种产生上百枚胚胎,而且早期胚胎透明,通过显微镜,可以很好地观察到胚胎各个时期的发育过程。

“通过实验,就可以知道哪些外界环境在影响斑马鱼的生长发育。”宋丽飞说。生殖健康的分子机制至关重要。当人体出现生殖问题时,我们需要对分子层面进一步研究,分析生殖健康的病因所在,并探讨分子机制和修复途径。用斑马鱼来构建研究模型,借助化学手段研究和分析胚胎发育,阐释环境因子对受精质量和胚胎发育的影响,对生殖健康研究具有重要的意义。

近年来,生殖健康分析已成为实验室的主要研究方向之一,与长沙市妇幼保健院、湖南省妇幼保健院开展了深度交流与合作,已全面开展由国家自然科学基金等资助的多项关于生殖健康研究的课题,例如:核酸适体介导的邻近共价标记体系用于细胞生理活动的精准监测、类酶催化荧光放大体系的构建及胚胎Zn2+成像应用研究、子宫内膜异位症核酸适配体的筛选、鉴定及识别机制研究,近红外水溶性荧光探针用于胚胎发育中NO成像与PFAS毒性机制研究等等。

讲好化学语言,用好化学工具,观测生命、记录生命、调控生命,成为实验室成员的工作常态。

发展化学工具,调控细胞活性

近年来,抗生素耐药性问题愈发引起生物医学领域的关注。长期使用或滥用抗生素会导致细菌耐药性的产生,最终无药可医。因此,合成克服细菌耐药性的创新型药物,刻不容缓,具有重要的基础研究价值和社会意义。

糖尿病是人类第三大疾病,仅排名在肿瘤和心脑血管病之后。随着工作方式和生活习惯的改变,糖尿病患病人数不断增加,尤其是发展到糖尿病足阶段,给患者带来极大的痛苦和生命危险。

“糖尿病足的患者很容易受到细菌感染,因为其血液循环和免疫系统都受到了破坏,糖尿病人的皮肤屏障受损后,伤口部位血糖含量高,为细菌增生提供了更多的养料,使感染更为严重。”卿志和介绍。

为此,团队构建了一种由金属纳米酶、细菌靶向性配体、生物酶和刺激响应性聚合物有序组装的纳米胶囊。该胶囊可以巧妙利用伤口组织中的血糖,转化成过氧化氢和调节微环境酸度。过氧化氢在细菌表面进一步原位转化成超高氧化电位的羟基自由基,将细菌氧化降解。该机制类似于物理“剪切”过程,给细菌一刀致命,与传统抗生素抑菌机制完全不同,能够避免耐药性问题。该体系稳定性好、抗菌活性强,能有效提高糖尿病等慢性病伤口部位的抗菌效果,让伤口更快愈合。

该课题历时5年完成,相关结果在化学、生物医学领域高水平刊物上发表论文5篇,包括在化学领域国际顶刊Angew Chem、中国化学旗舰期刊CCS Chem上发表前沿研究进展,并入选Angew Chem的VIP论文(Very Important Paper),授权了国家发明专利3项,国际专利1项。团队学生依托课题相关成果,参加了“挑战杯”“互联网+”创新创业大赛,获得了湖南省金奖等国家级、省部级奖励5项。基于该抗菌体系独特的理化性能和抗菌效果,团队正在致力于开发喷雾型抗菌药剂,联合医院、企业组织开展临床应用研究。

根植化学兴趣,培育健康产业人才


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实验室人均年龄37岁,积聚着化学、生物、食品、分子医学、材料学、计算机科学等多学科人才。

“人类任何科学、技术发展的终极目标,就是人类健康,包括身体健康和心理健康,生物医学的发展是直接服务人类健康,而其它科学的发展可能是间接服务于人类健康。例如,交通便利了,探亲更方便了,心情更好了,也是促进心理健康。”卿志和说。

在“细胞化学”湖南省重点实验室,积聚着化学、生物、食品、分子医学、材料学、计算机科学等多学科交叉的老师和学生。目前,实验室拥有教师共38人,包括省部级以上高层次人才8人,具有博士学位的教师占比97%,人均年龄37岁,是一支年龄、结构合理的研发队伍。另外,实验室拥有充足的场地和仪器平台,拥有独立的现代化实验室近3000平方米,仪器总价值近7000万元,能为化学、化工、食品、生物、医学、材料、环境等多领域提供合成、提取、表征等研发工作。

实验室一方面不断推进细胞化学领域的基础科学研究,为细胞层面的健康问题提供理论解释和监测、调控工具;另一方面围绕大健康时代背景下的市场需要,培养化学兴趣浓厚、实践能力强的大学生和研究生,加强产学研合作,促进技术成果转化成生产力和经济效益,服务于广大人民。近年来,健康化学团队加大了与企业的合作力度,企业技术服务横向课题达10余项,单项技术服务经费高度1773万元,技术成果以专利转让或许可的方式逐渐转化成产品。

“最近,我们正在与广州市白云区商讨成立健康化学相关的研究院,希望通过研究院的合作研发,将实验室成果快速孵化成产品。另外,今年我们申报了化学生物学本科专业,就是面向大健康时代的发展需求,培养化学、生物、医学交叉创新型人才,为高水平科学研究和产业发展输送人才。”卿志和表示。

就像实验室文化墙上最明亮的文字“热爱生活、热爱学习、热爱科研”,实验室全体师生以热爱出发,携手并进,筑梦未来:探索化学奥秘,揭秘细胞未知,助力健康。

初审:刘茜

复审:马林虹

终审:罗锴

来源:红网时刻新闻
作者:杨艳 朱丽萍 杨子璇
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