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利用非侵入性超声波对深层组织中的机械化学激活进行精确控制，对于推进我们对基础生物医学科学的理解以及革新疾病治疗方法具有深远的意义。然而，现有的超声波触发系统通常需要高功率密度，响应时间较长，且缺乏理论模型来解释超声波在分子水平上的操控，目前尚未探索出一种具有明确超声波激活机制的理论指导的机械响应材料系统。针对以上问题，德克萨斯大学奥斯汀分校王辉亮教授团队和圣安东尼奥分校陈邦林院士团队合作提出了一种概念，利用多孔氢键有机框架（HOFs）作为工具包，通过聚焦超声波（FUS）可编程触发药物激活，从而通过按需切割超分子相互作用来控制深部大脑中的特定细胞事件。该项工作建立了机械化学断裂和超声力学的可视化理论模型，为合理设计机械响应材料以实现可编程控制提供了宝贵的指导。德克萨斯大学奥斯汀分校博士后研究员王文靓为论文的第一作者。Yanshu Shi, Wenrui Chai, Kai Wing Kevin Tang为共同第一作者。为了证明这种方法的实用性，该项工作将设计药物氯氮平N-氧化物（CNO）封装到最佳的HOF纳米晶体中，通过FUS门控释放，激活小鼠和大鼠腹侧被盖区（VTA）中工程化的G蛋白偶联受体，在深度为9毫米的情况下，以秒级的延迟实现靶向神经回路调控。该项工作展示了超声波精确控制分子相互作用的能力，并开发了可编程的超声波HOFs，以非侵入性和时空控制的方式调控细胞事件，从而为建立精确的分子治疗可能性提供了支持。相关工作以“H-bonded organic frameworks as ultrasound-programmable delivery platform”为题，于2025年2月5号发表于Nature上。1. 设计了四种不同的HOF纳米晶体（HOF-TATB、HOF-BTB、HOF-101和HOF-102），可通过调节氢键密度和芳香环数量来调控材料的超声波响应性。HOF纳米晶体表现出优异的药物负载能力，在超声波触发下实现了药物的按需释放。2. 不仅通过实验验证了HOF纳米晶体在超声波刺激下的解离行为，而且建立了理论模型，通过密度泛函理论（DFT）计算出HOFs的内聚能，解释了超声波触发解离的热力学过程，展示了超声波精确控制分子相互作用的能力。3. 基于HOFs的超声波可编程药物递送平台结合了高载药量、高生物稳定性、低免疫原性以及独特的超声可编程性，通过超声波触发HOFs的解离来实现药物的按需释放，从而精确控制深层组织中的特定细胞事件，在无创精准药物治疗方面具有巨大的潜力。图3 HOF-TATB纳米晶体的超声控制载物释放及其对神经活动的体外调节该项工作提出了一种通过改变相互作用单元的化学结构，在分子水平上精细调节相互作用的超声激活HOF系统。HOF通过每个离散有机分子单元之间的弱分子间氢键和π -π相互作用结合在一起，形成3D多孔框架，从而使它们在水条件下具有可调的稳定性，高负载能力和超声可编程解离。超声应力为可编程剪切分子内非共价键提供了主要驱动力，以实现受控的机械化学激活。通过对有机配体主链结构中氢键密度和芳香族熔环数量的控制，建立了一个解释HOF结构和功能关系的理论模型，为在分子水平上精确、合理地设计HOF构建单元，以在理想的超声压力下实现按需和可编程的药物激活提供了有价值的指导。基于HOF的这些特性，超声触发的时间可编程药物激活为非侵入性神经控制和医学治疗开辟了新领域，例如本研究中展示的靶向神经回路的化学遗传学调控。通过调节HOF纳米晶体对聚焦超声（FUS）的响应敏感性，成功实现了对小鼠和大鼠深部脑神经回路的时空控制，延迟时间仅为数秒。结果表明，基于UltraHOF的超声化学遗传学技术能够实现高时间分辨率和长期神经调控，同时保持微创的优势。该项研究结果表明，UltraHOF技术结合了高载药量、高生物稳定性、低免疫原性以及独特的超声可编程性，适用于无创精准药物治疗。除了在超声化学遗传学中的应用外，UltraHOF技术还能够释放具有可设计药物激活敏感性和分辨率的不同类型分子，从而实现对深部组织中各种细胞事件的精确和非侵入性控制。这项研究可为精确和非侵入性分子操控技术提供灵感，并可能应用于编程分子机器人，以实现对深部组织中细胞事件的复杂控制。Wenliang Wang, Yanshu Shi, Wenrui Chai, Kai Wing Kevin Tang, Ilya Pyatnitskiy, Yi Xie, Xiangping Liu, Weilong He, Jinmo Jeong, Ju-Chun Hsieh, Anakaren Romero Lozano, Brinkley Artman, Xi Shi, Nicole Hoefer, Binita Shrestha, Noah B. Stern, Wei Zhou, David W. McComb, Tyrone Porter, Graeme Henkelman, Banglin Chen* & Huiliang Wang*, H-bonded organic frameworks as ultrasound-programmable delivery platform. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08401-0王辉亮，本科及硕士毕业于牛津大学材料学专业，随后，他赴斯坦福大学化工系鲍哲南教授课题组读博，主要研究纳米材料的处理和柔性电子的制备。在 2015 年，加入斯坦福大学生物工程的光遗传学技术的先驱卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）教授课题组进行博后研究，开发基于纳米材料的技术，用于靶向调节神经活动，并成为实验室里第一位用纳米材料做神经调控的成员。2021 年，加入德克萨斯大学奥斯汀分校生物医学工程系任助理教授，继续从事“声光遗传学技术”方面的研究。致力于研发性能和生物相容性更佳的纳米粒子，将超声转化为光进行无损光遗传学刺激，并把这项技术应用在不同的疾病中。在《Science》、《PNAS》、《Nature Biomedical Engineering》、《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Nano letters》、《ACS Nano》等期刊发表同行评审论文。陈邦林，无机化学专家，1985年本科毕业于浙江大学化学系，1988年硕士毕业于无机化学专业，现任德克萨斯大学圣安东尼奥分校（University of Texas at San Antonio）化学系杰出讲座教授和该校杰出科学家学院成员。长期从事新型多孔材料的设计及其在气体吸附分离、荧光传感和催化等领域的研究，取得了一系列开创性的研究成果，为该领域的发展做出了杰出贡献，在国际无机化学领域有着重要的影响。在Science, Nat. Mater, Nat. Energy , J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. ，Nat. Commun. ， Chem. Rev. , Chem. Soc. Rev. , Acc. Chem. Res. 等顶级学术期刊发表有重要影响论文。🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
