光還原自降解高分子:克服超敏響應的時空障礙

刺激響應材料在過去的幾十年中引起瞭極大關註。已經有多種基於內源和外源性刺激的高分子藥物載體被設計出來。其中,對於pH、氧化還原和酶等生理內源性刺激源具有響應能力的高分子納米體系在藥物和基因遞送等方面具有較高的應用價值,成為近年來材料學、生物醫學和藥學領域的研究熱點。然而,這些生物響應型高分子材料在生物體內的應用效果面臨諸多挑戰。首先,內源性刺激源在不同個體、組織器官中呈異質分佈,並隨著病情的發展而不斷變化,導致刺激響應的特異性不理想。其次,由於生物體的復雜性,不同細胞和細胞器中的刺激因子水平不平衡且始終處於動態變化的狀態。此外,生物響應型材料體系與機體的持續反應可能會進一步消耗刺激源,從而導致響應效率下降。更重要的是,大多數刺激響應高分子納米材料的敏感基團位於其疏水內核或被保護外殼屏蔽起來,給水分子、谷胱甘肽(GSH)、酶和其它生物大分子的攻擊帶來位阻障礙。因此,設計新穎的智能材料來克服刺激響應的時空障礙具有重要的意義。

光還原自降解高分子:克服超敏響應的時空障礙
圖1.光還原自降解高分子示意圖

近日,四川大學高分子科學與工程學院丁明明教授傅強教授譚鴻教授設計瞭一種光還原自降解高分子材料(PRSRP),將刺激源和還原敏感基團共同“關進”高分子“籠子”裡,並使用光敏感基團“鎖”住刺激源。該光還原自降解高分子材料在病灶生理環境中能夠響應細胞內水平的谷胱甘肽實現主鏈的斷裂。而在缺乏還原劑的情況下,該聚合物可以通過光照原位“解鎖”還原基團,實現主鏈的還原自降解,從而克服刺激響應的時空障礙,提高瞭刺激敏感聚合物的響應速率(圖1)。

為瞭實現該策略,研究團隊首先合成瞭不同分子量的兩親性PRSRP,發現其在水溶液中通過多級自組裝形成層狀的囊泡結構(圖1)。使用原位FTIR、1H NMR、GPC和MS等手段研究其光還原自降解的機理和產物。利用UV-Vis吸收光譜研究PRSRP的降解動力學,發現聚合物自組裝體比溶液具有更快的降解速度。利用熒光藥物模型證明該PRSRP自組裝體相比傳統的光敏感和還原響應高分子具有更高效的藥物控釋性能(圖2)。

光還原自降解高分子:克服超敏響應的時空障礙
圖2. PRSRP的刺激響應性和藥物控釋性能

進一步研究瞭PRSRP在細胞內藥物遞送方面的潛力,發現PRSRP能夠攜帶抗癌藥物阿黴素高效進入腫瘤細胞,同時保持自組裝結構完整。在光照條件下,該納米載體在細胞內表現出超敏響應和快速釋藥性能,將半抑制濃度降低4倍以上。此外,PRSRP具有良好的細胞相容性,而且能夠光還原降解成易於被機體代謝和清除的小分子物質,在生物體內具有較大的應用前景。該研究通過分子設計克服瞭刺激響應的位阻障礙、滲透障礙等問題,同時避免瞭傳統光降解高分子需要在主鏈引入復雜的光敏感基團等局限,因而該策略易於推廣到其他材料體系,為智能響應高分子材料的設計提供瞭一種新思路。

光還原自降解高分子:克服超敏響應的時空障礙
圖3. PRSRP自組裝體的細胞內藥物傳遞性能

以上相關成果以“Photo-ResponsiveSelf-Reducible Polymers: Overcoming the Spatiotemporal Barriers for Hypersensitivity”為題發表在《ACS Materials Letters》期刊上。論文第一作者為四川大學碩士研究生翁闖,共同通訊作者為丁明明教授和傅強教授。該項研究工作得到國傢自然科學基金(51873118,21474064,51203101)、國傢傑出青年科學基金(51425305)和高分子國傢重點實驗室項目的資助。

文章鏈接:

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.0c00070

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