手性（Chirality）是生命界最迷人的特征之一，从DNA的双螺旋结构到蛋白质的折叠，生命体在微观分子层面构建了精妙的手性大厦。然而，一个长期困扰科学界的谜题是：分子层面的微观手性究竟是如何跨越尺度，传递并形成介观甚至宏观手性结构的？ 更重要的是，这些人造的介观手性材料能否像生物大分子一样，直接调控细胞的命运？

近日，复旦大学赵东元教授、赵天聪研究员、唐云研究员（共同通讯作者）报道最新研究工作。受自然界启发，利用“受限空间堆积”策略，成功诱导了二氧化硅纳米带发生规则扭曲，不仅完美复刻了从分子到介观的手性传递，更意外发现：这种扭曲的纳米结构本身就是一把“杀手锏”，在不装载任何化疗药物的情况下，竟能显著抑制肿瘤细胞的增殖。

研究首先选用了一种包含手性氨基酸的肽两亲分子（C16-KVK）。实验发现，单靠C16-KVK自身的疏水作用，它们只能组装成一团乱麻般的无序网状结构。然而，当引入正硅酸乙酯（TEOS）作为无机源进行共组装时，奇迹发生了。在碱性水溶液中，随着硅源的水解缩合，原本无序的聚集体迅速演变成了形态均一的左手螺旋扭曲纳米带（TNRs）。这些纳米带长度超过1微米，展现出完美的周期性扭曲结构。

图1. 扭曲纳米带的拓扑结构表征。b)-d) SEM和TEM图像显示C16-KVK与二氧化硅共组装形成了均一的扭曲纳米带，螺距约340 nm，宽度约75 nm。e) 原位倾转观察证实了其介观手性结构。f) AFM图像清晰展示了纳米带沿长轴的高度起伏。g) CD光谱证实引入二氧化硅后诱导出了强烈的介观手性信号。

更有趣的是，这种“手性开关”完全可控。研究人员发现，通过调节硅源与肽分子的比例，可以精准调控纳米结构的形态，甚至将其从“宽带状”转变为“细丝状”螺旋，且该策略具有普适性，可扩展至二氧化钛、树脂等多种体系。

图2. 介观手性的调控。通过改变C16-KVK与TEOS的比例，可获得无序聚集体 a)、扭曲纳米带 b)或螺旋纳米纤维 c)。不同比例下的螺距和宽度统计显示了该组装过程的高度可控性。此外，该策略还可推广至RF树脂、TiO₂等多种材料体系。

为什么加入二氧化硅就能诱导手性？提出了一种“受限手性中心堆积”机制。

这就像DNA双螺旋的形成一样：DNA依靠碱基对之间的纵向π-π堆积力来稳定螺旋。在本研究中，二氧化硅寡聚体的交联缩合提供了类似的纵向堆积力。二氧化硅像一层坚硬的“铠甲”，将肽分子限制在密闭空间内，迫使其手性中心相互靠近、对齐，最终将微观的手性放大到了介观尺度。

光谱数据有力地支持了这一假设：随着反应时间的推移，CD光谱信号逐渐增强并红移，表明分子排列的有序度显著提高。

图3. 介观手性的形成机理。a) 随时间变化的CD光谱显示手性信号逐渐增强且红移。c)-d) 机理示意图：与DNA依靠碱基堆积力形成双螺旋类似，硅烷交联提供的纵向堆积力促使受限空间内的肽分子手性中心结合，从而诱导整体结构的扭曲。

为了进一步验证，研究人员建立了数学模型。计算表明，扭曲结构的形成能使比表面积降低35%，这说明在受限空间下，扭曲是一种能量上更“划算”的稳态。

4. 纳米带扭曲过程的数学模型。通过简化的几何模型计算，揭示了微观分子间的位移偏移（m, n）与介观螺距（h）和宽度（l）之间的函数关系。计算结果表明，所制备的扭曲纳米带的螺距半径比（C值）落在自然界常见手性结构的范围内（1-13）。

这项研究最令人兴奋的部分在于其生物学效应。研究人员将结肠癌细胞（CT26）分别培养在无序聚集体、非手性纳米纤维和手性扭曲纳米带上。结果令人震惊：在不添加任何化疗药物的前提下，唯独这种具有介观手性的扭曲纳米带（TNRs）展现出了高达60%的肿瘤细胞抑制率。相比之下，非手性对照组的抑制率不足30%。

图5. 介观手性调控肿瘤细胞生物活性。b) 细胞活性测试显示，手性扭曲纳米带（TNRs）组对CT26细胞的抑制率高达60%。c)-d) 细胞形态分析显示，在TNRs上培养的细胞长径比显著降低，无法正常铺展。e)-j) RNA测序及通路分析揭示，介观手性通过抑制细胞粘附（下调粘附基因），破坏细胞代谢，最终通过上调Bcl-2家族基因触发细胞凋亡。

它是如何做到的？ RNA测序揭开了谜底：

• 破坏立足点：扭曲的形貌让癌细胞难以“抓牢”基底，细胞粘附相关基因（如 Itgav）显著下调。

• 扰乱代谢：无法正常贴壁导致细胞代谢功能紊乱。

• 诱导凋亡：最终，这一系列物理信号传导至细胞核，激活了Bcl-2家族介导的凋亡通路，让癌细胞“自杀”。

  
  

原文链接

http://doi.org/10.1002/anie.202522375