世間萬物皆有規律，哪怕是小到一個細胞，也有規律可循。一個細胞變為兩個細胞，兩個細胞變為4個細胞……人體內所有細胞都是經過這樣的分裂過程產生的。在正常情況下，人體能夠精準控制體內的細胞分裂過程——哪些細胞應該分裂，分裂什麼時候開始，什麼時候結束，分裂進行幾次，這些都需要遵循嚴格的秩序。
從左至右分別為論文共同通訊作者李洋、論文共同第一作者邵喜明、論文共同通訊作者李紅昌、論文共同通訊作者喻學鋒。
黑磷納米材料阻斷細胞有絲分裂的分子機制。中國科學院深圳先進院供圖
然而，當癌症發生時，少數細胞擺脫了這些規則的約束，開始無休止地分裂，最終在本不該發生細胞增殖的部位，產生大量細胞聚集，即表現為腫瘤。細胞分裂失控，是腫瘤不斷增殖的重要原因，因此減緩甚至抑制細胞分裂，被認為是腫瘤治療的最有效策略之一。
前不久，中國科學院深圳先進院的研究團隊發現，一種名為黑磷納米的材料，可以影響細胞分裂的進行，進而為腫瘤納米藥物的研發，提供了新思路。
8月5日，中國科學院深圳先進院李紅昌團隊、喻學鋒團隊和李洋團隊等合作完成的這項研究成果，發表於國際學術期刊《自然—納米技術》。李紅昌課題組副研究員邵喜明和研究助理丁智昊為論文並列第一作者，李紅昌、喻學鋒和李洋副3位研究員為論文共同通訊作者，中國科學院深圳先進技術研究院為第一作者單位和通訊作者單位。
李紅昌說，在過去幾十年，基於納米技術的藥物研發已經被廣泛開展。在抗腫瘤領域，納米藥物可以提供更好的靶向性和優異的藥學性質，因此被寄予厚望。但是，目前已有的納米藥物，大都屬於納米載體藥物，這種藥物只是對傳統藥物的改良，納米材料在其中僅僅充當了藥物載體的功能。
“如果把納米藥物整體比作一個膠囊，納米材料其實只發揮了‘殼’的作用。納米材料能否上升到‘核心藥物’的地位，關鍵在於能否發現具備詳細生物機制和明確成藥機理的納米材料。”李紅昌說。
在此次研究中，研究團隊選取黑磷納米材料為研究對象，通過精細的細胞生物學和分子生物學研究，發現納米材料在細胞內能夠精準靶向特定生物分子，並獲得獨特的生物效應，藉此提出了以分子細胞生物學機製為依託的納米精準分子靶向藥物概念，為納米藥物研發開闢新路徑。
邵喜明介紹，作為一種由單一磷元素構成的新型納米材料，黑磷具有獨特的分子結構和界面特性，在多個領域具有應用潛力。此前，研究團隊已經發現黑磷具有較高的生物活性和生物可降解特性，在腫瘤治療等生物醫學領域具備良好的應用潛能。
然而，黑磷作為一種無機納米材料，能否在分子細胞層面與生命系統產生相互作用尚不得知。在此次研究中，研究團隊發現，黑磷納米材料就像“納米導彈”一樣，可以影響細胞分裂的進行，並以此為機制抑制腫瘤細胞增殖。
基於這項發現，團隊提出了腫瘤精準靶向“納米磷療”的新概念，為未來基於黑磷開發新型腫瘤治療藥物，奠定了科學基礎。
邵喜明說，研究團隊首先使用低濃度黑磷納米材料處理細胞，發現黑磷導致細胞周期停滯在有絲分裂期。隨後，團隊對這一現象背後的機理進行了深入挖掘，發現黑磷破壞了細胞有絲分裂核心機器——紡錘體的組裝。這一機制被最終確定為黑磷導致細胞分裂停滯的直接原因。
“同生物體內其他生命過程一樣，細胞分裂需要眾多生物分子的參與，其中PLK1激酶是非常關鍵的分子開關，其主要功能是控制紡錘體的組裝和運行。”李紅昌說。
據他介紹，黑磷進入細胞后，通過偽裝成PLK1的作用底物，吸引了大量PLK1蛋白與之結合，並使這些PLK1活性喪失，進一步造成紡錘體錯誤組裝，最終阻斷了細胞分裂的正常進行。
邵喜明說，基於這一機制，黑磷納米材料被賦予了基本的抗腫瘤藥物性質。在隨後的動物實驗中，研究團隊利用小鼠荷瘤模型，進一步證實了黑磷具備抗腫瘤效果。
磷是自然界中普遍存在的一種非金屬元素，也是地球上所有生命形式的重要組成成分。研究磷和生命系統之間的相互作用對理解生命規律以及生命進化都有重要意義，但是相關研究工作的開展需要橫跨“材料學”和“生物學”兩個一級學科，因此對研究團隊的學科背景提出了很高要求。
在此次研究過程中，研究團隊發揮了學科交叉的特色，自發組成了一支材料學與生物學交叉研究隊伍，成功讓“材料”與“生物”發生深度融合。
比如，研究團隊中的喻學鋒課題組，對黑磷納米材料進行了6年的系統研究，已經建立了完整的黑磷基納米材料的製備和應用體系，在研究過程中主要負責納米黑磷的製備和性能研究；李紅昌課題組，則精通細胞分裂機制和抗腫瘤藥物研發，在研究中主導納米黑磷的生物機制研究；李洋課題組具有豐富的納米生物學研究經驗，在研究過程中，提供符合研究方向和適用於交叉研究團隊的新思路，起着“思路潤滑”的作用。
“在實際研究過程中，單個課題組很難做到‘既懂材料，又通生物’，因此對類似橫跨多個學科的課題，往往難以持續深入地進行，大多研究只能是‘淺嘗輒止’。”李紅昌說。
他告訴記者，通過“材料人”和“生物人”之間不停地“思想碰撞”和持續地“互通有無”，項目組最終發現了無機單質納米磷材料影響細胞分裂的重要現象，並深入解析了背後的分子細胞機制，這也是中科院深圳先進院堅持“學科交叉”理念和秉承“面向世界科技前沿”導向而產生的又一個代表性科研成果。