1966年，美国科学家Good 等人提出了一类有机小分子pH缓冲材料（统称为“Good’s buffers”）用于生物学研究。这类有机小分子具有特殊的化学结构：同时含有正、负电荷基团。这些正、负电荷基团能够作为共轭酸和共轭碱，协同地赋予其高效的pH缓冲性能。它可以使细胞培养基质在培养箱外放置数天却能保持稳定的pH，从而为针对细胞在培养箱外的各种实验和操作提供了足够的时间。因此，Good’s buffers在过去半个世纪中被广泛地应用于细胞/组织培养、病毒鉴定、疫苗生产以及蛋白质/组织存储等生物医学领域。
Good’s buffers自提出以来一直被认为是生物相容性非常优异的pH缓冲材料。然而，随着其应用范围的不断扩展，逐渐发现它们并非完美。近年来有学者发现：1）HEPES（代表性的Good’s buffer被广泛应用于细胞/组织的培养）会被细胞内吞，突破了之前对Good’s buffers“无细胞膜通透性”的认知；2）RPMI 1640培养基中加入HEPES缓冲材料后会显著加剧巨噬细胞溶酶体的自噬以及炎症信号的上调；3）HEPES在实验室环境正常照明的情况下会产生显著的细胞毒性。然而， HEPES缓冲材料在细胞培养过程中对细胞正常功能的扰乱以及严重的细胞毒性等系列副作用的产生机制尚不明确。
近日，南京师范大学沈健教授、刘平生教授团队首次从活性氧物种（ROS）的角度对HEPES产生系列毒副作用的机制进行了阐明：1）细胞培养基中的核黄素（RF）在可见光（普通清洁工作台1mW/cm2）下产生单线态氧（1O2）、羟基自由基（·OH）以及超氧阴离子（O2-），其中以1O2为主要产物；2）在HEPES（25 mM）存在的条件下，93.2%的1O2转化为过氧化氢（H2O2），3小时内导致培养基中H2O2的浓度提高了10倍，达到106.6 μM。同时，在细胞培养的过程中，经含有HEPES的培养基培养的细胞其细胞内ROS水平会显著上调，而且，具有类似结构的其他多种Good’s buffers均展现相当水平的细胞内ROS上调现象。该工作的详尽内容以“Zwitterionic betaines over HEPES as the new generation biocompatible pH buffers for cell culture”为题发表在生物材料领域顶级期刊Bioactive Materials (2023, 24, 376-386)之上。该工作不仅从根源上对在生物医用领域已经广泛应用半个世纪之久的传统pH缓冲材料逐渐暴露的毒副作用机制予以完整解析，基于两性离子材料特殊离子型结构探索其在pH缓冲材料领域的应用也将为性离子甜菜碱材料在生物医学领域的应用开辟新的方向。
该文章的第一作者（共同）是刘沛铭博士和孙锦博士，南京师范大学是第一通讯单位，刘平生教授和沈健教授为共同通讯联系人。该工作也得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省“六大人才高峰”、南京师范大学“青蓝工程”等项目的支持。
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