- 南京師范大學(xué)沈健/劉平生Bioact. Mater.：開發(fā)出可替代HEPES用于細(xì)胞培養(yǎng)的無(wú)細(xì)胞毒性的pH緩沖材料
- 發(fā)布日期：2023-01-18
1966年，美國(guó)科學(xué)家Good 等人提出了一類有機(jī)小分子pH緩沖材料（統(tǒng)稱為“Good’s buffers”）用于生物學(xué)研究。這類有機(jī)小分子具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)：同時(shí)含有正、負(fù)電荷基團(tuán)。這些正、負(fù)電荷基團(tuán)能夠作為共軛酸和共軛堿，協(xié)同地賦予其高效的pH緩沖性能。它可以使細(xì)胞培養(yǎng)基質(zhì)在培養(yǎng)箱外放置數(shù)天卻能保持穩(wěn)定的pH，從而為針對(duì)細(xì)胞在培養(yǎng)箱外的各種實(shí)驗(yàn)和操作提供了足夠的時(shí)間。因此，Good’s buffers在過去半個(gè)世紀(jì)中被廣泛地應(yīng)用于細(xì)胞/組織培養(yǎng)、病毒鑒定、疫苗生產(chǎn)以及蛋白質(zhì)/組織存儲(chǔ)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
Good’s buffers自提出以來(lái)一直被認(rèn)為是生物相容性非常優(yōu)異的pH緩沖材料。然而，隨著其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，逐漸發(fā)現(xiàn)它們并非完美。近年來(lái)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)：1）HEPES（代表性的Good’s buffer被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞/組織的培養(yǎng)）會(huì)被細(xì)胞內(nèi)吞，突破了之前對(duì)Good’s buffers“無(wú)細(xì)胞膜通透性”的認(rèn)知；2）RPMI 1640培養(yǎng)基中加入HEPES緩沖材料后會(huì)顯著加劇巨噬細(xì)胞溶酶體的自噬以及炎癥信號(hào)的上調(diào)；3）HEPES在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境正常照明的情況下會(huì)產(chǎn)生顯著的細(xì)胞毒性。然而， HEPES緩沖材料在細(xì)胞培養(yǎng)過程中對(duì)細(xì)胞正常功能的擾亂以及嚴(yán)重的細(xì)胞毒性等系列副作用的產(chǎn)生機(jī)制尚不明確。
近日，南京師范大學(xué)沈健教授、劉平生教授團(tuán)隊(duì)首次從活性氧物種（ROS）的角度對(duì)HEPES產(chǎn)生系列毒副作用的機(jī)制進(jìn)行了闡明：1）細(xì)胞培養(yǎng)基中的核黃素（RF）在可見光（普通清潔工作臺(tái)1mW/cm2）下產(chǎn)生單線態(tài)氧（1O2）、羥基自由基（·OH）以及超氧陰離子（O2-），其中以1O2為主要產(chǎn)物；2）在HEPES（25 mM）存在的條件下，93.2%的1O2轉(zhuǎn)化為過氧化氫（H2O2），3小時(shí)內(nèi)導(dǎo)致培養(yǎng)基中H2O2的濃度提高了10倍，達(dá)到106.6 μM。同時(shí)，在細(xì)胞培養(yǎng)的過程中，經(jīng)含有HEPES的培養(yǎng)基培養(yǎng)的細(xì)胞其細(xì)胞內(nèi)ROS水平會(huì)顯著上調(diào)，而且，具有類似結(jié)構(gòu)的其他多種Good’s buffers均展現(xiàn)相當(dāng)水平的細(xì)胞內(nèi)ROS上調(diào)現(xiàn)象。該工作的詳盡內(nèi)容以“Zwitterionic betaines over HEPES as the new generation biocompatible pH buffers for cell culture”為題發(fā)表在生物材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Bioactive Materials (2023, 24, 376-386)之上。該工作不僅從根源上對(duì)在生物醫(yī)用領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用半個(gè)世紀(jì)之久的傳統(tǒng)pH緩沖材料逐漸暴露的毒副作用機(jī)制予以完整解析，基于兩性離子材料特殊離子型結(jié)構(gòu)探索其在pH緩沖材料領(lǐng)域的應(yīng)用也將為性離子甜菜堿材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟新的方向。
該文章的第一作者（共同）是劉沛銘博士和孫錦博士，南京師范大學(xué)是第一通訊單位，劉平生教授和沈健教授為共同通訊聯(lián)系人。該工作也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省“六大人才高峰”、南京師范大學(xué)“青藍(lán)工程”等項(xiàng)目的支持。
