生物医用高分子囊泡_石隽秋.pdf

第54卷 第 3 期2023 年 3 月高分子学报ACTA POLYMERICA SINICAVol.54,No.3Mar.,2023生物医用高分子囊泡*石隽秋1 陈 帅1 朱云卿1*杜建忠1,2*(1同济大学材料科学与工程学院高分子材料系 上海 201804)(2同济大学附属上海市第四人民医院妇产科 上海 200434)摘要高分子囊泡由于其独特的腔-膜-冠结构，在生物医用等领域具有重要应用前景.本专论从自组装新机理/新方法和新的生物医学应用两方面总结和评述了近期生物医用高分子囊泡领域的研究进展.前者包括构建高效包载生物大分子的囊泡的“酸诱导吸附”和“亲和强化吸引”原理、构建完全非对称冠囊泡的“胶束-囊泡转变法”、构建高级囊泡结构的“融合诱导粒子自组装”方法、可宏量制备囊泡的氨基酸环内酸酐开环聚合诱导自组装方法；后者主要介绍“以糖控糖”囊泡、治疗糖尿病溃疡囊泡、抗菌囊泡、抗癌囊泡、靶向治疗骨质疏松症囊泡和护肾血管造影囊泡.最后，对高分子囊泡的未来发展方向进行了展望.关键词高分子囊泡，大分子自组装，生物医用材料，融合诱导自组装囊泡是细胞内物质运输的主要载体.脂质体囊泡是由两亲性分子(如磷脂)自发定向排列形成的有序结构，具有精确识别、定向运输、靶向卸载等特点，并在2013年获诺贝尔生理学或医学奖.受细胞膜的启发，高分子也可以自组装形成“腔-膜-冠”结构，以实现细胞仿生1,2、药物控释3,4、疾病治疗5,6等功能.高分子囊泡的结构与天然脂质体囊泡相似，但更稳定且更具功能设计性7.传统嵌段共聚物囊泡具有均相膜(疏水)、对称冠(内冠和外冠相同).虽然这些囊泡具有广泛的应用场景，但均相膜与对称冠结构仍然限制了囊泡的多功能化.因此，对膜和冠分别进行设计以实现多种功能是生物医用高分子囊泡的一个重要发展方向811.2020年，我们从非均相膜、非对称冠及膜冠融合的角度对高分子囊泡进行了评述12,13.本专论主要基于我们课题组的研究总结高分子囊泡领域的最新进展：(1)自组装新机理与新方法；(2)新的生物医学应用.1自组装新机理与新方法自组装是自然界的一个普遍现象，是组装单元在非共价键作用下，自发形成有序结构的过程.分子自组装的历史可以追溯到 1913 年Mcbain提出胶团假说14，其驱动力主要包括亲疏水相互作用、氢键作用、静电相互作用、范德华力等7,1520.其中，亲疏水作用驱动的自组装最为常见.大分子自组装是当今化学和材料领域的前沿21，其中嵌段共聚物是最主要的组装单元，典型的组装体结构包括球形胶束2224、囊泡2527、柱状胶束28等.此外，通过粒子自组装构建高级结构也受到了人们的广泛关注29,30.下面简述通过自组装制备囊泡的新进展：(1)利用“酸诱导吸附”和“亲和强化吸引”原理构建高效包载生物大分子的囊泡；(2)通过“胶束-囊泡转变法”构建完全非对称冠囊泡；(3)通过“融合诱导粒子自组装”构建高级囊泡；(4)通过氨基酸环内酸酐开环聚合诱导自组装实 专论*特约专论；2022-08-03收稿，2022-09-08录用，2022-10-26网络出版；国家自然科学基金(基金号21925505，51903190)资助项目.*通讯联系人，E-mail:;doi:10.11777/j.issn1000-3304.2022.222683143期石隽秋等：生物医用高分子囊泡现囊泡的宏量制备.1.1利用“酸诱导吸附”和“亲和强化吸引”原理构建高效包载囊泡如何利用载体安全有效地将生物大分子递送至胞内，是蛋白疗法、组织修复、基因编辑等领域的一个核心问题.但是，传统的带正电荷的载体往往具有细胞毒性，还存在大分子释放难的问题；而非阳离子载体包载生物大分子的效率又比较低31.因此，如何构建高效包载生物大分子的非阳离子型高分子囊泡是一个重要挑战.基于生物大分子和高分子囊泡的相互作用，我们提出了酸诱导吸附(acid-induced adsorption，AIA)和亲和强化吸引(affinity-enhanced attraction，AEA)原理，以高效包载蛋白和核酸(图 1)31.AIA：蛋白溶于水产生的质子被三唑基团中氮原子的孤对电子吸引，进而催化囊泡膜层的酯键水解，所形成的羧基和羟基可以通过静电作用或氢键作用吸附蛋白分子，实现蛋白的高效包载；AEA：高分子侧链上的三唑基团和肉桂酸酯基团可以通过-阴离子作用和-堆叠作用吸引带负电且富含电子的核酸分子.实验表明，通过AIA使血红蛋白包载率达到了79%，通过AEA使RNA和质粒DNA包载率分别达到了85%和75%.这些结果均远高于其他高分子囊泡的包载效率(一般小于20%).此外，基于AEA和AIA原理还可以设计一系列高效包载不同生物大分子的高分子囊泡.1.2“胶束-囊泡转变法”构建完全非对称冠囊泡内冠和外冠不同的囊泡在生物医用领域具有重要意义.虽然通过三嵌段共聚物自组装32、乳液法33、氢键作用34可以制备非对称冠囊泡，但这些方法均不能保证囊泡冠的完全不对称性.如何构筑并表征完全非对称冠囊泡仍是自组装领域的一大挑战.针对该挑战，我们提出了通过“胶束-囊泡转变法”来构建完全非对称冠囊泡的新方法，并提出了相应的表征方法(图2)35.首先设计了嵌段共聚物聚乙二醇-聚(N-异丙基丙烯酰胺-无规-7-(2-甲基丙烯酰氧基乙氧基)-4-甲基香豆素)-聚甲基丙烯酸-2-(二乙基氨基)乙酯(poly(ethylene oxide)113-b-polyN-isopropyl acrylamide45-stat-7-(2-methacryloyloxyethoxy)-4-methylcoumarin10-b-poly(2-(diethylamino)ethyl methacrylate)28，PEO113-b-P(NIPAM45-stat-CMA10)-b-PDEA28)，其中NIPAM嵌段具有温敏性，CMA嵌段具有光交联性，DEA嵌段具有pH响应性.第一步，将聚合物通过直接水合法在25 和pH=7.0的条件下自组装成初始胶束，此时DEA嵌段是胶束核，其他3个嵌段形成胶束冠；第二步，升温到40，NIPAM由亲水变成疏水而塌陷，与 CMA 一起覆盖在PDEA核上，形成最终囊泡的膜层；第三步，通过紫外光使CMA在P(NIPAM45-stat-CMA10)膜上交联，从而固定膜层；第四步，调节pH至4.0，使胶束核通过DEA质子化变成囊泡内冠，至此就完成了胶束-囊泡的转变.此外，还可降温到25 使PNIPAM由疏水变成亲水以调控囊泡膜的通透性.值得指出的是，CMA化学交联使囊泡Fig.1 Principles of AIA and AEA(Reprinted with permission from Ref.31;Copyright(2020)American Chemical Society).315高分子学报2023年保持结构稳定，使得通过简单的温度和pH调控就可以实现胶束-囊泡的转变，进而制备完全非对称冠囊泡.完全非对称冠囊泡的结构表征也是一个难点，为此我们提出了以下方法进行表征：(1)仅在完全非对称冠囊泡内冠选择性地沉积纳米金并利用透射电镜对内冠进行成像；(2)完全非对称冠囊泡在载金前后的表面电势均为负值；(3)完全非对称冠囊泡在载金前后具有较大的尺寸变化率.该囊泡在药物控释方面具有应用潜力.在包载抗癌药盐酸阿霉素(DOX)后，囊泡的PDEA内冠在生理条件下(pH=7.4)形成内壁，因此药物的泄漏率较低(13.5%)，而在酸性环境下(pH=4)，囊泡致密的内壁因质子化而变成舒展的内冠，随之表现出持续的药物释放效果(48 h 内超过71.4%).因此，该非对称冠囊泡构建策略有望为设计“防漏”的小分子药物递送载体提供新思路.1.3融合诱导粒子自组装构建囊泡高级结构融合(Fusion)是一种形成高级有序结构的自发过程.囊泡的可控融合，核心在于控制囊泡的膜张力(membrane tension).当膜张力大到足够可以克服融合的能量壁垒时，就可以通过释放膜张力来降低整个体系的能量，而融合是张力释放的途径之一36.2020 年，我们提出融合诱导粒子自组装(fusion-induced particle assembly，FIPA)的新概念(图3)36.通过控制聚合物形成囊泡膜(vesicle membrane)链段的刚性和柔性，调控囊泡之间的促融(profusion)和抗融(antifusion)作用.同时，在粒子自组装过程中，通过含水量、溶剂进一步调控囊泡冠层的排斥程度、囊泡之间的黏附性能、囊泡的膜张力.选用PEO作为亲水段，4-(4,4,5,5-Fig.3 Forming tetrapod by FIPA(Reprinted with permission from Ref.36;Copyright(2020)American Chemical Society).Fig.2 The micellar-vesicle transition strategy used to prepare completely asymmetric corona vesicles(Reprinted with permission from Ref.35;Copyright(2021)American Chemical Society).3163期石隽秋等：生物医用高分子囊泡四甲基-1,3,2-二氧苯甲醛-2-基)甲基丙烯酸苄酯(4-(4,4,5,5-tetra-methyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)benzyl methacrylate，TBA)作为刚性疏水段，DEA作为柔性疏水段，利用 FIPA 构建了“四臂囊泡”.在室温下放置1年后，该囊泡仍保持稳定.基于以上工作，2021年，我们通过FIPA进一步构建了一种具有晶格状膜的巨型囊泡(giant polymer vesicle with a latticelike membrane，GVLM)，即晶格膜囊泡37.我们设计并合成了一种聚合物，其中PEO为亲水段、2-(四氢呋喃氧基)甲基丙烯酸乙酯(2-(tetrahydrofuranyloxy)-ethyl methacrylate，TMA)为柔性疏水段、6-(3,3-二苯基萘氧基)甲基丙烯酸己酯(6-(3,3-diphenylnaphthopyranyloxy)hexyl methacrylate，NMA)为刚性疏水段.该聚合物自组装形成平均直径为(583)nm的小囊泡，数百个小囊泡通过FIPA进一步形成具有晶格状膜结构的巨型囊泡，其平均直径为(983136)nm.FIPA原理可以拓展到构建多种高级纳米结构.例如：2022年，我们首次提出了结晶驱动融合诱导粒子自组装(crystallization-driven fusion-induced particle assembly，CD-FIPA)新方法38，通过粒子融合过程中的非晶-晶态转变过程，实现了棒状胶束的活性横向生长，为其直径调控提供了新方法.1.4氨基酸环内酸酐开环聚合诱导自组装实现囊泡的宏量制备传统的大分子自组装通常需要在稀溶液(1%)中进行，难以实现宏量制备7；而聚合诱导自组装(polymerization-induced self-assembly，PISA)39可在高固含量(10%50%)下制备纳米材料.尽管有研究提出不同的PISA方法，如光引发PISA40、聚合诱导的热自组装41、聚合诱导的静电自组装42，但大多数PISA都基于可逆加成断裂链转移(reversible addition-fragmentation chain transfer，RAFT)聚合4345.而RAFT-PISA目前还存在如下问题：需要大分子链转移剂和无氧条件；成核单体和溶剂种类不多；产物不可降解.这些局限性限制了PISA在生物医学领域的应用.针对以上问题，我们提出了一种氨基酸环内酸酐开环聚合诱导自组装(ring-opening polymerization of N-carboxya