1966年，美國科學家Good 等人提出了一類有機小分子pH緩沖材料（統稱為“Good’s buffers”）用于生物學研究。這類有機小分子具有特殊的化學結構：同時含有正、負電荷基團。這些正、負電荷基團能夠作為共軛酸和共軛堿，協同地賦予其高效的pH緩沖性能。它可以使細胞培養基質在培養箱外放置數天卻能保持穩定的pH，從而為針對細胞在培養箱外的各種實驗和操作提供了足夠的時間。因此，Good’s buffers在過去半個世紀中被廣泛地應用于細胞/組織培養、病毒鑒定、疫苗生產以及蛋白質/組織存儲等生物醫學領域。
Good’s buffers自提出以來一直被認為是生物相容性非常優異的pH緩沖材料。然而，隨著其應用范圍的不斷擴展，逐漸發現它們并非完美。近年來有學者發現：1）HEPES（代表性的Good’s buffer被廣泛應用于細胞/組織的培養）會被細胞內吞，突破了之前對Good’s buffers“無細胞膜通透性”的認知；2）RPMI 1640培養基中加入HEPES緩沖材料后會顯著加劇巨噬細胞溶酶體的自噬以及炎癥信號的上調；3）HEPES在實驗室環境正常照明的情況下會產生顯著的細胞毒性。然而， HEPES緩沖材料在細胞培養過程中對細胞正常功能的擾亂以及嚴重的細胞毒性等系列副作用的產生機制尚不明確。
近日，南京師范大學沈健教授、劉平生教授團隊首次從活性氧物種（ROS）的角度對HEPES產生系列毒副作用的機制進行了闡明：1）細胞培養基中的核黃素（RF）在可見光（普通清潔工作臺1mW/cm2）下產生單線態氧（1O2）、羥基自由基（·OH）以及超氧陰離子（O2-），其中以1O2為主要產物；2）在HEPES（25 mM）存在的條件下，93.2%的1O2轉化為過氧化氫（H2O2），3小時內導致培養基中H2O2的濃度提高了10倍，達到106.6 μM。同時，在細胞培養的過程中，經含有HEPES的培養基培養的細胞其細胞內ROS水平會顯著上調，而且，具有類似結構的其他多種Good’s buffers均展現相當水平的細胞內ROS上調現象。該工作的詳盡內容以“Zwitterionic betaines over HEPES as the new generation biocompatible pH buffers for cell culture”為題發表在生物材料領域頂級期刊Bioactive Materials (2023, 24, 376-386)之上。該工作不僅從根源上對在生物醫用領域已經廣泛應用半個世紀之久的傳統pH緩沖材料逐漸暴露的毒副作用機制予以完整解析，基于兩性離子材料特殊離子型結構探索其在pH緩沖材料領域的應用也將為性離子甜菜堿材料在生物醫學領域的應用開辟新的方向。
該文章的第一作者（共同）是劉沛銘博士和孫錦博士，南京師范大學是第一通訊單位，劉平生教授和沈健教授為共同通訊聯系人。該工作也得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省“六大人才高峰”、南京師范大學“青藍工程”等項目的支持。
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