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四川大学丁明明、谭鸿:多嵌段聚合物利用CIRA策_重庆大学研究生院

作者: 高校信息网 发布时间: 2020年03月16日 15:34:50

四川大学丁明明、谭鸿:多嵌段聚合物利用CIRA策_重庆大学研究生院

如今,自组装的聚合物胶束可作为多功能药物递送系统而受到广泛关注,其通常由疏水内核和亲水外壳组成。然而,尽管有多种基于聚合物胶束的纳米药物获得美国食品药品监督管理局(FDA)的批准或进入临床试验,但是它们的治疗效果未达到预期所想。主要是由于聚合物的动态特性和固有的不稳定性,使得大多数聚合物胶束的纳米递送体系出现药物过早释放和体内非特异性生物分布的问题。虽然通过聚合物胶束的物理或化学交联可以直接克服固有的不稳定性,但是在交联过程中可能会损害纳米系统的响应性,并导致有效载荷的释放效率低下。

基于此,四川大学高分子科学与工程学院的丁明明副教授谭鸿教授(共同通讯作者)以及傅强教授团队联合报道了一种交联诱导的再组装(CIRA)策略,利用该策略同时提高了聚合物胶束的动力学和热力学稳定性以及氧化还原响应度。以多嵌段聚氨酯(MPU)模型,而MPU由可生物降解的聚(ε-己内酯)(PCL)、带有pH响应的苯甲亚胺键的可裂解聚乙二醇(BPEG)、L-赖氨酸乙酯二异氰酸酯(LDI)以及由L‐胱氨酸(Cys‐PA)组成,研究发现MPU在胶束界面上的交联导致了柔性片段(PCL)和刚性片段(BPEG)之间的微相分离。在胶束中间层周围聚集了易断裂的二硫键,有利于还原剂(GSH)的攻击,从而充当智能开关作用,实现了高稳定性和氧化还原响应性。通过该聚合物胶束负载DOX和Cy5进行体外和体内实验,发现利用CIRA策略可增强肿瘤靶向性,改善生物分布并在体内具有优异的治疗功效。该工作为可控的递送药物应用提供了一个灵活的通用平台。

【图文解析】

为了研究交联是否改善了胶束的热力学稳定性,作者通过DLS测量了用水或磷酸盐缓冲盐水(PBS)在不同稀释时间下的粒径变化。在加入水或缓冲液后,MPU胶束的直径和尺寸分布极大增加,而交联MPU(CMPU)的直径和尺寸即使稀释700倍以上也几乎没有变化。此外,利用MPU和CMPU胶束中负载DOX和Cy5进行荧光能量共振转移(FRET),并收集稀释后的荧光光谱。研究发现,DOX+Cy5@MPU的FRET效率显着降低,而DOX+Cy5@CMPU的FRET效率略有变化。另外,胶束一旦进入血液,便立即与血细胞、血浆蛋白、表面活性剂和许多其它成分混合。因此,可以实现对血液成分的高稳定性。结果表明,MPU胶束在点击交联后形成的CMPU具有很高的稳定性,有助于避免胶束分解和体内药物过早释放。

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图1、交联胶束增强稳定性和氧化还原响应性

普遍认为CMPU胶束需要先打破其交联,随后GSH才能渗透到内核中,以攻击与疏水链段相连的二硫键,使得这种交联聚合物的降解在理论上比未交联的聚合物慢。为此,作者假设响应性的增强可能与在交联过程中组装的层次结构变化有关。故而在交联前后,作者对聚合物进行了 1 H- 1H核Overhauser增强光谱(NOESY)实验。对于CMPU,在交联剂质子(2.96 ppm)和Cys-PA(2.65 ppm)的二硫键旁边的亚甲基之间发现了一个新的相关峰,证实了Cys-PA和SS-Az之间成功的点击反应。此外,PCL(2.32-2.36,4.08 ppm)和Cys-PA(2.20,3.83 ppm)之间的相关性减小了,而PEG质子之间的NOE信号(3.61,3.31 ppm)和Cys-PA(3.36,3.83 ppm)以及Cys-PA基团(3.48,3.83 ppm)交联后均清晰可见。结果表明,由于叠氮化物/炔烃的点击反应主要发生在胶束界面,可能会引发柔性片段和刚性片段间的再组装过程(CIRA)和微相分离,从而导致Cys-PA基团从胶束的内核迁移到胶束的亚表层。此外,利用红外光谱分析N-H和C=O拉伸振动位置的变化,说明交联后柔性片段和刚性片段之间的微相分离增强。

四川大学丁明明、谭鸿:多嵌段聚合物利用CIRA策_重庆大学研究生院

图2、交联引发MPU胶束的再组装

接着,作者评估了CMPU在细胞内的药物递送能力。将MCF-7细胞与负载DOX和Cy5的胶束共培养不同的时间,并通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)进行观察。在用DOX+Cy5@MPU孵育的细胞中未观察到FRET荧光,并且细胞内DOX荧光的分布类似于游离药物的分布。表明MPU胶束与细胞接触后立即解离,导致药物过早泄漏到细胞外。但是,DOX+Cy5@CMPU与细胞共孵育1 h后,在细胞质中出明显的FRET信号,表明在细胞摄取过程中交联胶束的结构完整性。同时,还考查了在摄取过程中具有不同稳定性胶束的细胞入胞效果,利用流式细胞仪评估了细胞摄取的机制。即使存在抑制细胞中GSH生成的丁硫氨酸亚砜(BSO),CMPU胶束也比MPU胶束具有更高的细胞内荧光强度,从而显示出交联后细胞摄取的更高效率。此外,作者使用了具有抗药性的MCF-7癌细胞进行细胞毒性测定。DOX@CMPU胶束对耐药性肿瘤细胞表现出更大的治疗效果,其IC50比DOX@MPU低2.5倍。另外,不含药物的胶束对L929小鼠成纤维细胞没有任何毒性作用,表明MPU和CMPU具有良好的细胞相容性。