触发线粒体融合的压电纳米材料及其制备方法与应用

本发明生物，尤其是一种触发线粒体融合的压电纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、线粒体作为细胞内重要的细胞器参与能量代谢、细胞信号传导、细胞周期调节和细胞凋亡等重要的作用。线粒体的形态和数量通过分裂和融合动态调节过程被统称为线粒体动力学。线粒体分裂调节功能失调线粒体的积累，帮助细胞应对氧化应激和能量短缺等环境压力，此外线粒分裂还可以保证线粒体在细胞分裂过程中均匀分布到子细胞，从而维持其正常功能和生长潜能，促进细胞增殖。线粒体融合则是通过维持线粒体功能的一致性，优化能量代谢。分裂和融合的过程维持着线粒体网络的动态平衡，保持线粒体的质量和功能，从而确保正常的细胞活动。肿瘤细胞经常操纵线粒体动力学来适应恶劣的生存环境，从而获得显著的生存和增殖优势。研究发现，肿瘤细胞通常表现出线粒体分裂增加和融合减少，使得肿瘤细胞更好地适应缺氧和营养缺乏的条件。线粒体融合有可能逆转或破坏肿瘤细胞喜欢的代谢适应性，影响肿瘤细胞对糖酵解和氧化磷酸化的依赖。这种破坏使得线粒体融合的调节成为一种有希望和可行的癌症治疗策略，具有显著影响肿瘤生长和存活的潜力。

2、目前，已经有几种可以调节线粒体融合的小分子调节剂，如m1和chimera，分别通过增强mitof超声in 1（mfn1）的gtpase活性和增强mitof超声in 2 （mfn2）的功能来促进线粒体融合，并在临床前研究中显示出治疗前景。此外，已经发现bgp-15通过稳定视神经萎缩1（opa1）来增强线粒体内膜完整性，这在治疗涉及线粒体功能障碍的疾病中特别有用。然而，这些调节剂同时也存有潜在的风险。例如，m1的非特异性作用可能无意中影响其他gtpase，间接地导致细胞功能障碍和代谢紊乱。chimera虽然能有效增强mfn2的功能，但其生物稳定性较差，长期使用会引起累积毒性的担忧。虽然bgp-15具有稳定opa1的作用，但由于其多功能的性质，可能在不同的细胞类型中引起意想不到的副作用。鉴于潜在的负面影响，这些调节剂的临床应用面临着重大的困难和障碍。因此，迫切需要开发具有更高特异性和安全性的调节线粒体融合的新策略和方法。调节线粒体膜电位（δψ）去极化在细胞应激反应中起关键作用，触发一系列分子事件和信号通路，直接影响线粒体裂变和融合的关键调节蛋白。具体来说，δψ去极化激活长型opa1（l-opa1）的产生，有利于促进线粒体内膜融合。此外，去极化还伴随着钙离子的涌入，钙离子作为重要的信号分子激活线粒体融合蛋白如mfn1和mfn2，从而增强线粒体外膜的融合能力，形成更大的线粒体网络。同时，δψ去极化抑制drp1向线粒体外膜的募集，因为drp1需要一个合适的δψ才能有效募集drp1。此外，δψ去极化改变细胞应激反应和信号通路，导致线粒体分裂相关蛋白如fis1的抑制。因此，诱导δψ去极化可能是一种更安全、更有效的促进线粒体融合的方法，为有效的癌症治疗提供了一种有前景的策略。

3、在超声波的刺激下，压电材料能够精确地产生电子和空穴，这可以用来调节膜的去极化过程。这种能力使它们在生物物理调制方面具有独特的潜力。然而，尽管纳米材料在生物医学领域得到了广泛的应用和研究，但它们是否能有效地操纵线粒体动力学仍有待探索。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种触发线粒体融合的压电纳米材料及其制备方法与应用。

2、本发明是这样实现的，一种触发线粒体融合的压电纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

3、1）制备baxca1-xtiyce1-yo3纳米颗粒（bct:ce nps）：以四氯化钛、氯化钡、氯化钙和三氯化铈为原料，通过水热法制备bct:ce nps，其中0.8≤x＜1，0.8≤y＜1；

4、2）制备氧化石墨烯/ baxca1-xtiyce1-yo3纳米颗粒（go/bct : ce nps）：以步骤1）制得的bct:ce nps、石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮为原料，通过水热法制备go/ bct:ce nps。

5、所述bct:ce nps的直径为100～200纳米；go/ bct:ce nps的直径为200～300纳米。

6、步骤1）baxca1-xtiyce1-yo3纳米颗粒（bct:ce nps）的制备方法：

7、1）按照ba:ca=x:1-x摩尔比称取bacl2·2h2o和cacl2固体粉末溶于去离子水中，制备混合溶液，按照ti: ce=y:1-y摩尔比取ticl4和cecl3·7h2o固体粉末分别溶于无水乙醇和去离子水；

8、2）按产物分子式的摩尔比取上述溶液，混合搅拌30 分钟，加入naoh和聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌30 分钟，将悬浮液转移高压灭菌器中，在100～200°c下反应1～20小时；按摩尔数计，naoh加入量7x mmol，聚乙烯吡咯烷酮加入量为0.012x mmol，聚乙烯吡咯烷酮平均分子量8000，x为ba的摩尔数；

9、3）反应结束后，将得到的沉淀物用去离子水和无水乙醇反复洗涤至ph=7，然后在80℃的烘箱中干燥4～12小时。

10、步骤2）氧化石墨烯/ baxca1-xtiyce1-yo3纳米颗粒（go/bct : ce nps）的制备方法：

11、1）称取步骤1）中制备的bct：ce nps、氧化石墨烯（go）和聚乙烯吡咯烷酮（pvp）溶解在去离子水中，搅拌均匀；其中bct：ce nps、go、 pvp、去离子水的质量比为（800～1100）：（90～120）：（400～600）：（20～35）；

12、2）将悬浮液转移到高压灭菌器中，在100～200°c下反应1～20 小时，反应结束后，将得到的沉淀物用去离子水和无水乙醇反复洗涤至ph = 7，然后在80℃的烘箱中干燥4～12 小时得到go/bct : ce纳米颗粒。

13、所述高压灭菌器为内衬四氟乙烯的不锈钢高压灭菌器。

14、上述的制备方法制得的触发线粒体融合的压电纳米材料。

15、优选，所述baxca1-xtiyce1-yo3为ba0.85ca0.15ti0.9ce0.1o3。

16、上述触发线粒体融合的压电纳米材料制备促进肿瘤细胞线粒体融合药物中的应用。

17、本发明具有的优点和技术效果：

18、1）聚乙烯吡咯烷酮作为粘结剂将bct: ce nps与氧化石墨烯结合，使复合材料更加稳定，制备了尺寸为260.69±17.27 nm的go/bct: ce，其晶面间距为1.99 å，与bto的晶面对齐。2）ca和ce的掺杂及其电子结构的变化对提高go/bct: ce纳米颗粒的导电性和共价键强度。3）压电系数d33反映了纳米颗粒的压电性能。go/bto的d33仅为2.04 mv/v，而go/bct: ce aem的d33高达11.25 mv/v，表明ca和ce元素的掺杂使其压电性能提高了约5.51倍，进一步证实了合成的go/bct: ce aem具有优异的压电性能。4）在go/bct: ce压电纳米材料通过促进线粒体膜电位去极化来调节线粒体融合抑制其分裂，激活线粒体融合蛋白mfn1、mfn2和opa1的水平显着增加，抑制动力蛋白drp1的募集和线粒体分裂蛋白fis1的表达，实现对癌细胞代谢和生长的影响。