哈勃|清华大学陶磊团队《Nature》子刊：Hantzsch反应高通量制备X射线防护聚合物( 二 ) 哈勃

图5：评估不同化合物的放射防护能力的细胞实验。
随后，作者研究了辐射防护机理。辐射引起的细胞中的ROS是一系列严重后果的直接原因。作者通过使用27-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）探针检测不同培养条件下细胞中的ROS水平。培养过程中，在正常细胞中几乎未检测到荧光，但是暴露于80Gy X射线辐射后，随着时间的推移，荧光明显并随时间增加。氨磷汀和P(2)(1)均可有效控制细胞中的ROS水平，表明氨磷汀和P(2)(1)的抗辐射能力与其清除细胞中辐射诱导的ROS的能力有关。此外， DNA是辐射损伤的主要目标，聚集性DNA损伤和碱基对的损伤是电离辐射的标志。作者进行单细胞凝胶电泳以检测在不同条件下的细胞损伤的DNA（图 5c）。与正常细胞相比，暴露于80 Gy X射线的细胞明显具有长尾巴（损坏的DNA），表明该X射线剂量很容易破坏细胞DNA 。氨磷汀（0.3 mg / mL）部分保护DNA ，导致尾巴更短。由于P(2)(1)中的14-DHP基团，能有效保护DNA免受高剂量X射线辐射的侵害，培养细胞的尾巴可忽略。这些结果与细胞中受损DNA的定量分析一致（图 5d）。 P(2)(1)和氨磷汀都是有效的辐射防护剂，它们可以有效保护细胞DNA免受辐射损伤；与氨磷汀和其他聚合物相比，由于P(2)(1) 出色的细胞安全性，可大剂量使用，提供更好的细胞保护。因此， P(2)(1)选用于下一个体内研究。
斑马鱼胚胎对高剂量X射线的放射防护
斑马鱼的基因与人类的基因的相似性>85％。斑马鱼的胚胎很小、光学透明、胚胎发育短，有利于快速直接观察辐射引起的对动物的伤害（死亡，变形，器官异常和DNA受损）。因此，斑马鱼的胚胎被用来研究辐射诱发突变和评价防辐射剂。作者将60头斑马鱼胚胎（置于带有P(2)(1)玻璃培养皿中，并暴露于X射线辐射。用A啶橙（AO）染色以选择性地染色经历凋亡/坏死的细胞中的核酸。使用LSCM捕获胚胎的图像（图 6a），并分析荧光强度以测量具有坏死的细胞（图 6b）。正常胚胎（约60 hpf）发育出可识别的眼睛和尾巴。暴露于X射线的胚胎失去了这些器官，并显示出清晰可见的绿色荧光，表明由辐射诱导的胚胎死亡。用氨磷汀对斑马鱼胚胎的保护作用不足，培养的胚胎腹部肿胀。 P(2)(1)存在时，胚胎具有无法分辨的AO荧光，胚胎发育类似于正常胚胎的眼睛和尾巴。超氧化物歧化酶（SOD ，自由基清除剂），生成丙二醛（MDA中，脂质过氧化的最终产物）是辐射诱导的损伤的生物标记物。作者测量了胚胎中SOD和MDA的水平（图 6c）。 P(2)(1)显著地改善异常指标。
图6：体内实验（斑马鱼胚胎）以测试不同化合物的放射防护能力。
斑马鱼胚胎的放射后遗症
通常情况下，斑马鱼的胚胎形成幼虫约120hpf 。作者记录在不同条件下来自胚胎的幼虫的形态（图 7a）和数量（图 7b）。 X射线对斑马鱼胚胎的发育造成相当大的损害，暴露于80 Gy X射线后，孵化率低（10％），且变形率高（100％）（图 7a ， b）。用P(2)(1)培养的胚胎孵化率达80％，变形率为29％，表明P(2)(1)在可预防辐射。并且，通过观察抗体溶液表明P(2)(1)可充当抗辐射剂，有效地抵消了辐射引起的DNA损伤。
图7：在存在不同化合物的情况下斑马鱼胚胎的辐射后遗症。
结论
作者根据高通量策略构建了一个小的聚合物模型库，以选择简单的聚合物作为辐射防护剂。所开发的聚合物的保护作用优于常用的辐射防护剂——氨磷汀。该研究能促进聚合物科学中MCR和高通量方法的广泛研究，并提升跨学科应用的其他功能性聚合物的发展。尽管已发现酚和二茂铁取代基可改善聚合物的抗氧化能力，但尚未总结出规则可以更有效地指导聚合物抗辐射剂的未来发展。在未来的研究中，应准备更大的样品库，并应使用理论计算来总结从头设计具有更好抗辐射能力和生物安全性的聚合物的规则。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20027-0
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