本文作者苏三转自FluorescenceWORLD
一、概述
本文把具备快速铀吸收动力学，且可在在活体内高效移除铀的纳米金属有机框架(nano-MOF)用作螯合锕系元素的试剂。带有羧基的后合成官能化的UiO-66纳米粒子[UiO-66-(COOH)4-]表现出最快速的铀吸收动力学，五分钟内可移除胎牛血清(FBS)中65%的铀酰离子。此外，体内的生物分布研究表明，该材料部分积聚在肾和股骨，这两处也是铀酰离子主要沉积的地方。老鼠活体铀促排试验表明，UiO-66-(COOH)4-可成功减少沉积在肾和股骨中的铀酰离子的数量，移除率分别高达55.4%和36.5%，并显然比商用锕系元素促排剂ZnNa3-DTPA更高效。
二、背景
核能工业的发展留下了越来越多的铀废物和污染，以及成堆的浓缩贫铀。这样的增长在核泄漏，核事故和恐怖袭击中对公众健康造成了巨大的威胁。铀在进入人体后，先于血液中保留很短的一段时间，然后以六价铀酰离子(UO22+)的形式快速沉积在肾和股骨中，造成不可逆的肾损伤，泌尿系统疾病，DNA损坏以及扰乱生物分子。到目前为止，螯合疗法被认为是最有效的治疗方法。
5LIO-(Me-3,2-HOPO)和3,4,3-LI-1,2-HOPO被认为是用于临床应用的最优配体。然而，以上两种配体在减少骨头中铀的数量的作用非常有限。本文研究者报道了一个新的铀螯合剂5LIO-1-Cm-3,2-HOPO,可显著移除骨头中的铀。用NaHCO3促排会扰乱身体中正常的酸碱平衡。二乙烯三胺五乙酸(DTPA)是食品和药物管理局(FDA)唯一批准的促排剂，但是在肾和骨头中的促排效果不好，归因于其对铀的专一性较差，例如在生理pH下，DTPA与铀酰离子的稳定常数logβ(13.78)比与Fe2+，Zn2+，Co2+，Cu2+，Ni2+的更小，因此，为避免低钙血症或由于Zn2+和Ca2+损耗所导致的死亡，DTPA型促排剂通常采取CaNa3-DTPA或ZnNa3-DTPA的形式。
降低活体内铀含量而不造成Zn2+和Ca2+损耗对目前大多数螯合剂来说是一个巨大的挑战，因为铀酰可与肾中的生物分子或与骨头中的无机磷酸盐配体结合，形成热力学稳定的铀酰配合物，而这些螯合剂是不能与之竞争的。在功能化金属有机框架(MOF)材料的鲜明对比下，MOF由于具备大表面积，可调拓扑结构，可调孔径，生物相容性以及表面和高效官能化等优点，展现出了高的吸附选择性，超快吸附动力学以及对存在于环境中铀的极高的损耗比率。
迄今为止，大部分用于环境修复的MOFs都处于微米级，而纳米级MOFs(nano-MOFs)可表现出更高的客体吸收动力学，使之生物应用更具可行性。此外，nano-MOFs还被广泛研究作为解*剂，比如，Horcajada等人提出生物相容性和稳定性兼具的金属有机框架(MOF,MIL-)，被用来作口服解*吸附剂，降低水杨酸在肠胃的吸收；Farha等人近期通过基于Zr的MOFs在人血清白蛋白中移除尿*症*素。
三、创新点
首次将纳米级MOFs作为铀螯合剂快速螯合铀酰，并显著减少活体内全身铀含量。
四、主要工作
通过后合成交换制备两个不同颗粒大小的UiO-66-(COOH)4MOFs，借此探究它们的铀酰吸附行为(Figure1a-d;SupportingInformation,FigureS1,S2a)。
所有UiO-66-(COOH)4纳米粒子实验测得的粉末X射线衍射(PXRD)于7.4°和8.5°处显示出两个峰，表示晶体指数分别为和，这也与原始UiO-66的模拟得到的PXRD相互印证(FigureS2)。两个UiO-66-(COOH)4粒子的大小约为nm和nm(Figure1band1c)，分别表示为UiO-66-(COOH)4-和UiO-66-(COOH)4-。
通过核磁共振碳谱，红外，以及元素分析证实，的确形成了UiO-66-(COOH)4-和UiO-66-(COOH)4-，并具备类似的PSE效率，分别为18.0%和17.0%(FigureS3a,bandTableS1)。
通过动态光散射(DLS,Nano-ZS,Malvern,UK;FigureS4a)，UiO-66-(COOH)4-的粒子大小计算为nm(PDI=0.22)，这也与TEM的测量结果保持一致。
从N2吸附等温线计算的UiO-66-(COOH)4-表面积为.1m2g-1，由于过量的羧基和溶剂分子存在于孔隙中，UiO-66-(COOH)4-表面积比原始的UiO-66更小。
最开始的铀酰吸收实验结果表明，水溶液中97.6%的铀酰在1min内被UiO-66-(COOH)4-吸收，具备更大粒子大小的UiO-66-(COOH)4-直到min的时候也不能达到最大的吸附比率(Figure1d;FigureS6)。
收集了已报道的不同大小的MOF材料和非框架纳米材料的铀酰吸附平衡时间，来评估UiO-66-(COOH)4-的吸附性能(TableS2)。在这些材料中，相对较大的MIL--ED和MIL--EDTA(ca.1um)粒子可在大约两小时的时候达到吸附平衡，与UiO-66-(COOH)4-的性能一致；然而，表面修饰的壳聚糖(EDA-MCCS,10-25nm)和磷酸化水热碳球(HCSs
P04,-nm)两类相对较小的粒子可分别在40min和20min时达到吸附平衡。在几乎所有已报道的固体铀酰吸附材料中，UiO-66-(COOH)4-有着最短的铀酰吸附平衡时间(最快的铀酰吸收动力学)(TableS2andS3,FigureS7)。纳米级材料，如UiO-66-(COOH)4-，有着更大的表面积和更多活性位点，导致总体吸收速度更快。
在固液比为1gL-1，于pH-4.0下对UiO-66-(COOH)4-进行吸附等温实验。Langmuir等温模型最契合平衡吸附数据，最大的吸附容量值为.69mgg-1，其卓越的吸附性能可应用于铀酰促排。还将直接合成得到的UiO-66-(COOH)4-(与通过后合成交换得到的方式不同)于血清中探究其吸附动力学，该直接合成得到的粒子大小约为nm(PDI=0.07)(Figure1e;FigureS2bandS4b)。铀酰吸附研究表明，该合成的材料5min可移除胎牛血清(FBS)超过65%的铀酰。
为了更好的理解铀酰的吸附机理，通过FTIR，Raman，TEM成像以及扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)测量来分析铀酰在UiO-66-(COOH)4-中的配位环境。在UO2-UiO-66-(COOH)4-的傅里叶红外光谱中，于cm-1处发现了一个新峰，归属为O=U=O的反对称振动(FigureS9)。
同样，在UiO-66-(COOH)4-的拉曼光谱中观察到另一个在cm-1处的铀酰振动峰(Figure2b)。通过比较UiO-66-(COOH)4-和UO2-UiO-66-(COOH)4-的TEM元素分布结果，可推断铀酰均匀吸附且分布在UiO-66-(COOH)4-的结晶颗粒上(Figure2a;FigureS10)。对铀酰和MOF的配合物U/UiO-66-(COOH)4-进行了扩展X射线吸收精细结构测量(EXAFS)，探究在吸附后固体中铀酰的局部配位环境，如Figure2C和TableS5所示，铀酰配位的最佳匹配为两个铀酰键轴方向上的两个氧原子与U距离为1.78±0.02?，4.9个赤道平面的供电子原子与U距离为2.38±0.02?，为五角双锥的配位几何结构。该配位数和键长与典型的铀酰-羧酸型螯合物的配位环境一致。
在体外进行了一系列模拟生理环境下的吸附测试，用来评估UiO-66-(COOH)4-的稳定性，铀吸收性能以及选择性。在HEPES溶液(15.0mM,pH7.4)中通过批式实验探究吸附动力学，在缓冲溶液中，UiO-66-(COOH)4-可在5min内吸附近85%的铀酰(UVI,C0=2.0ppm)(Figure3a)。
在铀酰(5.0ppmUVI)的HEPES缓冲溶液(pH=7.4)中，在过量二价离子Ni2+，Zn2+，Mn2+，Co2+和Mg2+(10.0ppm)的存在下，对UiO-66-(COOH)4-进行了竞争吸附实验，尽管其他竞争阳离子浓度时U的两倍，但仍铀89.3%的铀酰被UiO-66-(COOH)4-吸附，而仅仅只有大约20%的Ni2+和少于10%的Zn2+，Mn2+，Co2+和Mg2+被吸附(FigureS11a)。在另外一批竞争吸附实验中，分别将5.0ppmUVI和单独的50.0ppmNi2+，Zn2+，Mn2+，Co2+和Mg2+混合于HEPES溶液中，结果显示接近%铀酰被吸附，而竞争阳离子吸附量不超过20%。
PXRD分析表明，在浸入HEPES溶液72h后，UiO-66-(COOH)4-的框架保持不变，证明该材料具备较高的稳定性可用于体内促排。
通过加入12.4uMUO2(NO3)2?6H2O和3.-ugmL-1浓度的UiO-66-(COOH)4-/ZnNa3-DTPA，分别对UVI和ZnNa3-DTPA，以及UVI和UiO-66-(COOH)4-在大鼠肾小管上皮细胞(NRK-52Ecells)内进行了细胞*性实验。在铀酰和促排剂共同孵化48h后，分析了不同浓度促排剂下细胞的存活率，结果显示UiO-66-(COOH)4-的细胞*性可接受，与ZnNa3-DTPA的*性在一个水平(Figure3b;TableS6)。
接下来在不同时间间隔下对UiO-66-(COOH)4-的生物分布进行了分析。通过连接一个荧光探针SulfoCY5-NH2，UiO-66-(COOH)4-
SulfoCY5-NH2在体内的浓度可通过近红外(NIR)荧光成像来监测(FigureS13andS14)。在静脉注射UiO-66-(COOH)4-
SulfoCY5-NH2(60mgkg-1)后，在不同时间点解剖小鼠，将获得的器官用于随后的成像实验，结果表明最初的UiO-66-(COOH)4-SulfoCY5-NH2主要积聚在肾，肺和肝脏。这与SulfoCY5-NH2的分布行为不同，其优先分布在肝脏，脾脏和肾(Figure4;FigureS15)。此外，肝脏的荧光强度快速降低到背景值，而肾和肺的荧光强度从3h到24h缓慢降低，比SulfoCY5-NH2荧光探针表现出更长的保留时间(TableS7)。因为肾是铀酰主要沉积的器官之一，UiO-66-(COOH)4-选择性积累在肾，增强了其性能和效率，极大促进了铀酰排出(TableS8)。因为通过近红外(NIR)荧光成像方法极难监测UiO-66-(COOH)4-在血液中的保留时间，因此，设计了一个活体内动力学实验来测量。在实验中先静脉注射0.2mLUiO-66-(COOH)4-，等过了1h，再静脉注射0.2mLUVI溶液后，分别在15min，30min，60min和2.5h的时间点收集血液，肾，股骨，肝脏，脾脏和肌肉的样本，如TableS9所示，静脉注射15min后，UiO-66-(COOH)4-主要积累在肝脏，肾和股骨中，并随着时间增加，于肾和股骨中显示出轻微的上升趋势，在注射UiO-66-(COOH)4-的75min后，只有大概1%的UiO-66-(COOH)4-留在血液系统中。此外，当铀注射进入体内后，大多数UiO-66-(COOH)4-已经积聚在器官中，这样UiO-66-(COOH)4-就可高效捕获靶向器官内溶解性铀酰化合物，将它们排出体外。
最后进行活体内铀酰促排实验，来评估预防性给药在活体内排出UVI的能力。在最开始静脉注射试剂24h后，对照组的肾的铀含量，股骨的铀含量以及肝脏，脾脏和肌肉总的铀含量分别为7.4±3.6,5.2±0.7和1.2±0.4毫克每克组织；而对比于注射了UiO-66-(COOH)4-的，在肾和股骨中铀含量分别降低55.4%和36.5%(Figure3c;TableS10)，对比于采用了ZnNa3-DTPA的组，肾和股骨中的铀含量并没有出现明显降低。注射了UiO-66-(COOH)4-的肝脏，脾脏和肌肉总的铀含量降低了约50%，可能是由于纳米粒子在肝脏中的快速聚集。
还比较了UiO-66-(COOH)4-，UiO-66-和苯六羧酸(BHC)促排效果。如Figure3d中所示，UiO-66-(COOH)4-展现出最高的铀酰移除效率，肾中达46.2%，股骨中达29.9%，而UiO-66-和BHC没有观察到明显降低，可能是由于BHC很快就排出体外，以及UiO-66-缺乏羧基官能团(TableS11)。
五、总结
首次证实了nano-MOFs作为活体内铀螯合剂的巨大潜能，为nano-MOFs材料开辟了一个崭新的应用领域。基于目前得到的结果，由于该材料通道中羧基的预组织和择优取向，形成了一个配位笼来协同结合铀酰，表现出对铀酰离子超快且具选择性的吸附作用。活体内试验表明UiO-66-(COOH)4-可减少肾和股骨中铀含量，分别高达55.4%和36.5%。nano-MOF材料还有其他的优点，包括较低的细胞*性以及选择性沉积在铀主要富集的肾和骨头中。与ZnNa3-DTPA和BHC相比(都是羧基与铀酰结合)，nano-MOFs的协同作用极大提高了铀的促排效率。鉴于大量的MOFs骨架和官能团，可预料在不久的将来，将发现多种多样具有高放射性核素移除效率的材料，且同时兼具低*性和高口服活性。当个人体内受到放射性核素污染时，开发此类材料来用于紧急治疗是至关重要的。
DOI：10.2/anie.202012
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