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Angew. Chem. :鋰離子的選擇性跨膜傳輸2023-02-11
鋰離子在醫學領域的應用源自偶然發現,經臨床證實鋰離子是治療雙相情感障礙(Bipolar Disorder,簡寫BD)的最佳藥物,但其作用機制尚不清楚。因此,為了揭示鋰離子治療神經系統疾病的分子機制,迫切需要開展鋰離子化學與生物相關研究。

在臨床上血鋰濃度對BD治療效果具有正相關性。師法自然,創建特異性鋰離子通道實現鋰離子選擇性跨膜傳輸,理論上能夠降低血鋰濃度,提升胞內鋰濃度,保障鋰離子治療劑量安全性,從而弄清鋰離子跨膜在鋰離子治療BD中的作用。

最近,吉林大學董澤元教授利用含喹啉-惡二唑的組裝基元構建出具有高選擇性跨膜傳輸鋰離子的超分子通道。通過調節內腔尺寸和離子配位數,人造鋰離子通道展現出與天然Na+通道類似的離子選擇性,其Li+/Na+選擇性比達到23。

 

 

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數據分析證明,這些含有亞納米孔的分子(M1-M3)通過分子間π堆積組裝成超分子跨膜通道。重要的是,M1通道(內腔直徑1.8?)對鋰離子(直徑1.52?)展現出高選擇性傳輸性質,其Li+/Na+選擇性比值達到23;M2通道(內腔直徑2.2?)對鋰離子和鈉離子(直徑2.04?)均表現出傳輸性質,其Li+/Na+選擇性比值僅為1.3;對比M1通道,M3只有三個離子結合位點,其對鋰離子和鈉離子均無傳輸能力。這些研究結果不僅驗證了通道內腔尺寸與離子選擇性的本質關系,而且揭示了通道內結合位點數量影響離子傳輸功能。進一步實驗表明,人造離子通道的離子選擇性差異與亞納米孔的離子結合能力正相關。

接下來,作者利用溫敏性DPPC脂質體和膜片鉗技術驗證了該體系的通道傳輸機制,排除了轉運體模式,并推算出M1通道電導為27pS。此外,作者通過囊泡動力學實驗評估了M1通道對主要生理金屬離子(如K+、Mg2+和Ca2+)的離子選擇性。研究發現,M1通道的Li+/K+、Li+/Mg2+和Li+/Ca2+離子選擇性比值分別為19.3、50.9和85.0,表明M1通道能高選擇性跨膜傳輸鋰離子而幾乎不傳輸生理金屬離子。

綜上所述,該文章不僅報道了人造鋰離子通道的設計與制備,而且實現了鋰離子的高選擇性跨膜傳輸功能,將為鋰離子化學生物學和鋰離子治療機制研究提供獨特的化學工具。

文信息

Highly Selective Transmembrane Transport of Exogenous Lithium Ions through Rationally Designed Supramolecular Channels

Lei Zhang,?Chenyang Zhang,?Xin Dong,?Zeyuan Dong

文章的第一作者是吉林大學的博士生張磊同學,通訊作者是董澤元教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202214194

 

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