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Angew. Chem. :锂离子的选择性跨膜传输2023-02-11
锂离子在医学领域的应用源自偶然发现,经临床证实锂离子是治疗双相情感障碍(Bipolar Disorder,简写BD)的最佳药物,但其作用机制尚不清楚。因此,为了揭示锂离子治疗神经系统疾病的分子机制,迫切需要开展锂离子化学与生物相关研究。

在临床上血锂浓度对BD治疗效果具有正相关性。师法自然,创建特异性锂离子通道实现锂离子选择性跨膜传输,理论上能够降低血锂浓度,提升胞内锂浓度,保障锂离子治疗剂量安全性,从而弄清锂离子跨膜在锂离子治疗BD中的作用。

最近,吉林大学董泽元教授利用含喹啉-恶二唑的组装基元构建出具有高选择性跨膜传输锂离子的超分子通道。通过调节内腔尺寸和离子配位数,人造锂离子通道展现出与天然Na+通道类似的离子选择性,其Li+/Na+选择性比达到23。

 

 

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数据分析证明,这些含有亚纳米孔的分子(M1-M3)通过分子间π堆积组装成超分子跨膜通道。重要的是,M1通道(内腔直径1.8Å)对锂离子(直径1.52Å)展现出高选择性传输性质,其Li+/Na+选择性比值达到23;M2通道(内腔直径2.2Å)对锂离子和钠离子(直径2.04Å)均表现出传输性质,其Li+/Na+选择性比值仅为1.3;对比M1通道,M3只有三个离子结合位点,其对锂离子和钠离子均无传输能力。这些研究结果不仅验证了通道内腔尺寸与离子选择性的本质关系,而且揭示了通道内结合位点数量影响离子传输功能。进一步实验表明,人造离子通道的离子选择性差异与亚纳米孔的离子结合能力正相关。

接下来,作者利用温敏性DPPC脂质体和膜片钳技术验证了该体系的通道传输机制,排除了转运体模式,并推算出M1通道电导为27pS。此外,作者通过囊泡动力学实验评估了M1通道对主要生理金属离子(如K+、Mg2+和Ca2+)的离子选择性。研究发现,M1通道的Li+/K+、Li+/Mg2+和Li+/Ca2+离子选择性比值分别为19.3、50.9和85.0,表明M1通道能高选择性跨膜传输锂离子而几乎不传输生理金属离子。

综上所述,该文章不仅报道了人造锂离子通道的设计与制备,而且实现了锂离子的高选择性跨膜传输功能,将为锂离子化学生物学和锂离子治疗机制研究提供独特的化学工具。

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学的博士生张磊同学,通讯作者是董泽元教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202214194