酶响应性线形-树枝状嵌段共聚物的合成、性能及应用

宝利军; 危俊吾; 钱杨杨; 王雨佳; 宋文杰; 毕韵梅

doi:10.7536/PC220414

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (8) :1723-1733 DOI: 10.7536/PC220414

综述

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酶响应性线形-树枝状嵌段共聚物的合成、性能及应用

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Synthesis, Properties and Applications of Enzyme-Responsive Linear-Dendritic Block Copolymers

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摘要

酶响应性线形-树枝状嵌段共聚物(LDBCs)能对内源性酶产生特异性响应,与只能对外源性刺激信号(如温度、光等)产生响应的聚合物相比,酶响应性LDBCs具有高选择性和更好的生物相容性,作为生物医用材料更适合在人体内使用。通过变换LDBCs的酶响应基团、线形链和树枝化基元,可调控酶响应性两亲LDBCs的自组装和酶响应性解组装性能。由于其独特的酶响应性能和优良的生物相容性,在药物递送和生物医学影像等方面有广阔的应用前景。本文总结归纳了酶响应性LDBCs的合成方法、LDBCs的结构(如线形链长度和结构、树枝化基元的疏水性)对其自组装性能和酶响应性能的影响以及应用,并对酶响应性LDBCs的发展方向进行了展望。

Abstract

Linear-dendritic block copolymers (LDBCs) are composed of a linear polymer and dendrimers (dendrons). They not only combine the characteristics of the two types of polymers, but also have unique structures and properties. Furthermore, stimuli-responsive LDBCs can be generated through the selection and structural modification of their linear chains and dendrons. Stimuli-responsive LDBCs have attracted much attention in recent years because of combining the ability to respond to a specific stimulus and different polymeric architectures for a broad range of applications, including drug delivery, gene therapy and materials science. Among them, enzyme responsive LDBCs are able to specifically respond to endogenous enzymes. Compared with the polymers that are able to only respond to exogenous stimuli such as temperature, light, etc, enzyme responsive LDBCs have high selectivity and better biocompatibility. Therefore, they are more suitable for application in in vivo as biomedical materials. Amphiphilic enzyme responsive LDBCs are capable of self-assembling in aqueous solution into nano-aggregates and disassembling to release payloads upon enzymatic stimuli. Additionally, the self-assembly and enzyme responsive disassembly properties of amphiphilic enzyme responsive LDBCs can be adjusted by changing the enzyme-responsive groups, linear chains and dendrons of LDBCs. Due to their unique enzyme response properties and excellent biocompatibility, enzyme responsive LDBCs have broad application prospects in drug delivery, biomedical imaging, etc. Herein, this review summarizes the synthetic approaches of enzyme responsive LDBCs, the effect of the structures such as the length and structure of linear chain, and hydrophobicity of dendrons of the LDBCs on their self-assembly properties and enzyme-responsive properties. The applications of these copolymers are also introduced. Finally, the research prospect of enzyme responsive LDBCs are proposed.

Contents

1 Introduction

2 Synthetic approaches for enzyme responsive linear-dendritic block copolymers(LDBCs)

2.1 The divergent approach

2.2 The convergent approach

2.3 The coupling approach

3 Effect of LDBCs structures and enzyme concentration on the properties of enzyme responsive LDBCs

3.1 the effect of different enzyme responsive groups in The LDBCs

3.2 the effect of linear chain length of The LDBCs

3.3 the effect of linear chain structure and type of The LDBCs

3.4 the effect of hydrophobicity of dendrons in The LDBCs

3.5 The effect of enzyme concentration

4 Application of enzyme responsive LDBCs

4.1 As a drug carrier

4.2 Application in the field of fluorescent imaging probes

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

酶响应 / 线形-树枝状嵌段共聚物 / 合成方法 / 结构与性能 / 药物载体

Key words

enzyme responsiveness / linear-dendritic block copolymers (LDBCs) / synthetic approaches / structures and properties / drug carriers

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宝利军, 危俊吾, 钱杨杨, 王雨佳, 宋文杰, 毕韵梅. 酶响应性线形-树枝状嵌段共聚物的合成、性能及应用[J]. 化学进展, 2022, 34(8): 1723-1733 DOI:10.7536/PC220414

Lijun Bao, Junwu Wei, Yangyang Qian, Yujia Wang, Wenjie Song, Yunmei Bi. Synthesis, Properties and Applications of Enzyme-Responsive Linear-Dendritic Block Copolymers[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(8): 1723-1733 DOI:10.7536/PC220414

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1 引言

线形-树枝状嵌段共聚物(Linear-dendritic block copolymers, LDBCs)将具有柔顺结构的线形高分子与具有高度支化结构和高密度表面官能团分布的半刚性球形树枝状大分子(树枝化基元)通过化学键连接在一起,不仅结合了两类高分子的特点使其具有独特的结构和性能,而且通过对其线形链和树枝化基元的选择和结构修饰可产生具有环境刺激响应性的LDBCs^[1⇓⇓~4]。具有温度^[5,6]、pH^[7,8]、光^[9,10]、酶^[11,12]等刺激响应性的LDBCs在生物医药领域有广阔的应用前景,其中,酶作为刺激源,比光、温度等刺激有着更多的优点^[13,14]。首先,人体中存在多种酶,刺激不需要从外部添加。而且,酶具有高选择性和高效性,酶的表达紊乱或活性失衡通常发生在病变部位,如组织蛋白酶B(Cathepsin B)^[15,16]、基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinase,MMPs)^[17,18]和磷酸酶^[19,20]等在不同类型的恶性肿瘤中的过表达已经被证实。与疾病相关的酶的过表达可以用来触发药物在病灶部位的特异性释放,减少对其他组织器官的不良反应。酶响应性两亲LDBCs可通过改变柔顺的线形高分子的结构、链长和刚性树枝状大分子的代数、表面官能团而形成许多具有酶特异响应性的自组装超分子结构。树枝状的刚性结构增强了LDBCs在水溶液中自组装聚集体的稳定性,树枝状的刚性结构在聚集体中心构建高度有序的空间结构,不仅能在树枝的内部空隙中负载大量的客体分子,而且在单个树枝之间的空隙中也能容纳大量客体分子,提高了药物的包封率和载药量,使其在生物医药和新材料设计等领域具有潜在的应用价值^[21]。近年来,一些酶响应LDBCs已被设计合成出来,并取得了可喜进展,本文结合本课题组的工作介绍了酶响应性LDBCs的研究进展,围绕合成方法、影响性能的因素和应用展开讨论,并对酶响应性LDBCs面临的机遇与挑战进行了展望。

2 酶响应性LDBCs的合成

目前已报道的酶响应性LDBCs的合成方法依然是常规的发散法、收敛法和偶合法,只是将可酶解的官能团(如肽键、苯乙酰胺基、酯基等)引入到LDBCs的线形链、树枝化基元或树枝化基元的外围(图1)。

2.1 发散法

发散法又叫链优先(Chain-first)法,这种方法首先合成具有活性端基的线形聚合物,再利用末端的活性基团迭代重复合成树枝化基元部分得到LDBCs。这种方法最适合LDBCs的大量合成和制备高代数的LDBCs^[2],也是目前合成酶响应性LDBCs最常用的方法。例如,Harnoy等^[22]以三种不同分子量的具有单末端氨基的聚乙二醇(PEG)为原料,与3,5-二炔丙基苯甲酸对硝基苯酯偶联制得末端有两个炔基的PEG,再与N-叔丁氧羰基半胱胺进行巯基-炔点击反应,得到树枝化基元末端含有4个官能团的LDBCs,4个官能团脱去叔丁氧羰基(Boc)后与苯乙酸4-硝基苯酯偶联,得到以亲水性的PEG为线形链、具有4个亲脂性的苯乙酰胺末端基团的第二代半胱胺为树枝化基元的两亲性LDBCs。这些LDBCs具有四个苯乙酰胺末端基团,可以被青霉素G酰胺酶(PGA)酶解而呈现酶响应性。以PEG为亲水性线形链,并应用巯基-炔点击反应,使这些酶响应性LDBCs的合成变得简单而高效。

将活性/可控自由基聚合反应引入LDBCs线形链的合成,可以得到线形链长度设计更加灵活的非PEG线形链的酶响应性LDBCs。例如,Wei等^[11]用黄原酸酯调控的可逆-加成断裂链转移(MADIX/RAFT)自由基聚合和巯基-烯迈克尔加成反应相结合,合成了具有单末端氨基的聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PNVP),再通过逐步缩合定向多肽合成法合成了三代以PNVP为亲水性线形链、9-芴基甲氧基羰基(Fmoc)封端的苯丙氨酰赖氨酸(Phe-Lys)二肽为疏水性树枝化基元的酶响应性LDBCs(图2)。Phe-Lys二肽能被组织蛋白酶B和胰蛋白酶酶解^[24,25]。通过发散法合成酶响应性LDBCs比较耗时,在制备高代数产物时需要大量的树枝化基元端基的官能团转化,要求反应有着极高产率,否则会造成结构缺陷,而且不易纯化和表征^[2,4]。

2.2 收敛法

收敛法又称树枝优先(Dendron-first)法,该方法先合成具有引发中心基团的树枝状大分子,将其作为大分子引发剂来引发聚合反应得到LDBCs。与发散法相比,收敛法每一步反应总是限制在几个活性中心上进行,避免了发散法中采用过量的试剂与末端基团反应,并降低了由于反应不完全造成树枝结构缺陷,使LDBCs树枝端的结构更加完整有序,同时纯化和表征也容易。但是也有着一些缺点,如随着树枝状大分子的代数的增加,空间位阻逐渐增加,引发聚合的官能团活性减小,造成聚合物单体转化率下降^[26]。目前用收敛法合成酶响应性LDBCs仅见一篇文献报道,Qian等^[23]首先合成了中心基团为伯氨基的半胱胺或2,2-二羟甲基丙酸(Bis-MPA)脂肪族聚酯树枝化大分子引发剂,再利用末端的氨基引发谷氨酸苄酯-N-羧酸酐(NAC)的开环聚合,最后用乙醇胺氨解聚谷氨酸苄酯线形链上的苄酯基团得到以聚[N-(2-羟乙基-L-谷氨酰胺)](PHEG)为亲水性线形链,半胱胺或Bis-MPA脂肪族聚酯为疏水性树枝化基元的LDBCs(图3)。PHEG能够被木瓜蛋白酶、链霉蛋白酶和组织蛋白酶B酶解^[27]。

2.3 偶合法

偶合法是分别合成末端具有活性基团的树枝状大分子和线形大分子,然后将两者进行偶合得到LDBCs。偶合法有着许多优点,同时合成预先设计的树枝状大分子和线形大分子,最后进行偶合,简化了合成步骤,缩短了合成周期,这些预先设计的大分子在偶合之前可进行严格的提纯和表征,有效地解决了用发散法合成高代数LDBCs时提纯难、表征难的问题^[2,4,28]。但是使用偶合法合成LDBCs时需要一个有效的偶联反应,近年来具有定量、快速、高效和高选择性、反应条件温和、产物单一、易于分离等特点的点击反应(Click reaction)的应用极大地提高了偶联的有效性,这些点击反应包括炔基/叠氮1,3-偶极环加成反应(CuAAC)^[9,29,30]、巯基-烯/炔点击^[31,32]、Diels-Alder环加成^[33,34]等。例如,Slor等^[35]通过CuAAC点击反应将外围具有酶响应性基团的亲脂性树枝化基元连接到三种不同的亲水性聚合物PEG、聚(2-乙基-2-口恶唑啉)(PEtOx)或聚丙烯酸(PAA)上。虽然亲水性嵌段组成和树枝化基元结构都不同,但是用CuAAC点击反应制备的酶响应性LDBCs结构明确,所有聚合物在合成时反应良好、转化率高。Segal等^[36]用CuAAC点击反应将一条PEG(10 kDa)线形链或者两条PEG(5 kDa)线形链点击到具有4个酯酶响应的疏水树枝化基元上,得到具有线形或V形PEG线形链的酶响应性LDBCs。这两种共聚物的分子量几乎相同,说明线形链的叠氮端基和树枝化基元的末端炔基进行了有效的点击偶合,所合成的酶响应性LDBCs结构明确。

3 影响酶响应性LDBCs性能的因素

首先,酶响应性基团的不同,使LDBCs对酶的响应具有特异性;其次,目前已报道的酶响应性LDBCs多具有两亲性,在选择性溶剂中能自组装形成超分子聚集体,这些聚集体在酶作用下解组装。LDBCs的结构(如线形链的长度和结构、树枝化基元的疏水性)对其自组装性能和酶响应性能均有影响;此外,酶的浓度对两亲性LDBCs聚集体的酶响应性解组装性能也有影响。

3.1 不同酶响应性基团的影响

酶响应性聚合物通常是通过分子中的对某种酶具有特异性响应的基团来实现酶刺激响应的,目前具有酶响应性的苯乙酰氨基、Phe-Lys二肽、酯基等基团已经被引入到LDBCs中(表1),这些基团对不同的酶有着特异性响应,例如,具有苯乙酰胺末端基团的LDBCs胶束只会在PGA的作用下才会解组装,对酯酶则无响应^[22]。

3.2 线形链长度的影响

酶响应性两亲LDBCs分子中亲水性线形链的长度对其自组装聚集体的稳定性和酶响应性性能有较大影响。Harnoy等^[22]研究了PEG线形链的长度对两亲性LDBCs胶束的酶响应性解组装速率的影响,意外地发现具有较长PEG链的LDBCs胶束解组装的速率更快。为解释这个结果,他们提出了这些以PEG为线形链、具有4个苯乙酰胺末端基团的第二代半胱胺为树枝化基元的LDBCs胶束在PGA作用下解组装的机理,即酶不能通过渗透作用穿越胶束的PEG外壳进入到胶束核内,去酶解LDBCs树枝化基元末端的苯乙酰胺基团,酶解是发生在两亲性LDBCs“单分子-聚集体”平衡中未组装的单分子上(图5)。具有较长PEG链的LDBCs的临界胶束浓度(CMC)较大,以单分子形式存在的LDBCs较多,酶解反应更易发生。Song等^[40]在所合成的以聚(N-乙烯基己内酰胺)(PNVCL)为线形链、Phe-Lys二肽为树枝化基元的酶响应性LDBCs中也观察到,较长PNVCL线形链的LDBCs自组装形成的胶束,更容易被组织蛋白酶B解组装。

3.3 线形链结构和种类的影响

酶响应性两亲LDBCs分子中亲水性的线形链结构对其自组装聚集体的稳定性和酶响应性性能有显著影响。Segal等^[36]研究了具有相近分子量但分子结构不同(线形和V形)的亲水性PEG嵌段对酶响应性LDBCs的自组装和在酶作用下的解组装行为的影响,发现两种酶响应性LDBCs尽管有着非常相近的CMC值,但具有V形PEG嵌段的LDBC胶束的粒径比具有线形PEG嵌段的LDBC胶束的粒径小,亲水性的PEG嵌段从线形变为V形导致两亲分子自组装聚集数大为减少。在猪肝酯酶存在下,V形共聚物胶束比线形共聚物胶束解组装更快,但却较慢达到酶解完全。这是因为酶解是发生在两亲性LDBCs“单分子-聚集体”平衡中游离的单分子上^[22,41],单分子中的酯基被酶解后,破坏了LDBCs的两亲性,导致胶束部分解组装,V形PEG与线形PEG相比具有较大的空间位阻,酶不易接近LDBCs单分子上的酯基,故使其达到完全酶解的速率变慢(图6)。

PEG是非离子水溶性聚合物,对人体具有较低的毒性,无抗原性和免疫原性,使其成为构成以药物载体为主要应用目的的酶响应性LDBCs最常用的线形链,但已有研究表明,由于PEG的不可生物降解性、热不稳定性、药代动力学行为的不可预期变化和静脉及口服后的超敏反应,PEG修饰的纳米载体倾向于在肝脏和脾脏组织中富集^[42],多次静脉注射PEG修饰的纳米载体在体内产生PEG抗体^[43];而且PEG只有末端一个可修饰的反应官能团,因而限制了其作为靶向药物释放高分子载体亲水性链段的应用。因此,必须探索可以保留PEG的优点并克服其缺点的替代聚合物^[44,45]。PNVP具有与PEG相同的优异水溶性和生物相容性,已广泛应用于生物、医药、食品、材料等领域。而近十多年来,N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)这一非共轭单体的活性/可控自由基聚合的研究已取得很大进展,通过链转移剂的分子设计,用NVP的可逆加成-断裂链转移(RAFT)自由基聚合不仅可以实现PNVP分子量的控制,而且可以在PNVP的链端引入可修饰的反应基团^[46,47];加之具有PNVP外壳的聚合物胶束没有冻干过程中的聚集问题。所以,作为亲水链段构筑两亲性嵌段共聚物药物载体,PNVP是很有前景的PEG的替代聚合物之一^[48]。例如,Wei等^[11]设计合成的以PNVP为亲水性线形链、Phe-Lys二肽为疏水性树枝化基元的酶响应性LDBCs具有很好的生物相容性,在水溶液中自组装形成的球形胶束在胰蛋白酶的作用下,能解组装释放出所包载的难溶性抗癌药物阿霉素(DOX),可望成为难溶性药物的靶向释放载体。

PNVP和PEG虽然具有良好的生物相容性,但毕竟是不可生物降解的。为此,Qian等^[23]设计合成了以可生物降解又具有亲水性的聚[N-(2-羟乙基-L-谷氨酰胺)](PHEG)为线形链和半胱胺或bis-MPA脂肪族聚酯为疏水树枝化基元的酶响应性LDBCs。这些嵌段共聚物具有较好的生物相容性,在水溶液中能自组装为球形纳米胶束或囊泡,并在酶作用下能释放出所包载的疏水性小分子,在药物靶向释放方面具有潜在应用价值。

通过改变亲水性线形链,还可得到多重刺激响应性的LDBCs。例如,Qian等^[12]将具有温度响应性的PNVCL引入LDBCs的线形链,设计合成了以PNVCL为亲水线形链、bis-MPA衍生的脂肪族聚酯为疏水性树枝化基元的两亲性LDBCs,在加入木瓜蛋白酶后这些LDBCs水溶液的透过率降低,而低临界溶液温度(LCST)升高。因为木瓜蛋白酶水解LDBCs中的酰胺键和酯键^[49,50],使疏水性树枝化基元与亲水线形链PNVCL脱离而沉淀出来使溶液的透过率降低;LDBCs分子中的疏水性树枝化基元部分或完全被水解,增加了分子的亲水性使LCST升高。因此,LDBCs具有酶和温度双重响应性,在加入木瓜蛋白酶后LDBCs的自组装聚集体能释放出所包载的亲脂性小分子。

3.4 树枝化基元疏水性的影响

树枝化基元外围基团疏水性的微小变化对两亲性LDBCs的自组装行为和酶响应性解组装性能也有着较大影响。例如,Segal等^[38]研究发现树枝化基元外围基团的疏水性对以PEG为线形链、第二代半胱胺为树枝化基元的两亲性LDBCs的CMC影响不明显,但对自组装胶束的尺寸和聚集数影响较大,具有较小疏水性外围基团的LDBCs酶解更快。他们还发现材料的多分散性可能是控制药物递送系统药物释放率和生物可降解材料降解率的一个关键因素。Harnoy等^[37]研究了树枝化基元外围疏水性基团的数量对两亲性LDBCs的自组装行为和酶响应性解组装性能的影响,结果表明,树枝化基元外围疏水性基团越多,两亲性LDBCs的CMC越小,自组装形成的胶束越稳定,被酶降解的速率越慢。

亲脂性树枝化基元的代数对两亲性LDBCs的自组装行为和酶响应性解组装性能也有较大影响,例如,Song等^[26]对以PNVCL为线形链、Phe-Lys二肽为树枝化基元的两亲性LDBCs的性能研究结果表明,当PNVCL线形链的长度相同时,LDBCs的CMC和胶束粒径随树枝化基元代数的增加而降低,LDBCs载药胶束的释药速率随树枝化基元代数的增加而变慢。

Slor等^[35]对基于具有6个或9个碳原子的外围树枝化基元和不同的亲水性聚合物PEG、聚(2-乙基-2-口恶唑啉)(PEtOx)和聚丙烯酸(PAA)的两亲性LDBCs的胶束尺寸、临界胶束浓度、载药量、稳定性和细胞内化进行了比较研究,发现LDBCs胶束直径几乎完全依赖于树枝状疏水嵌段的疏水性,而酶降解速率强烈依赖于两种嵌段的组成。

3.5 酶浓度的影响

酶的浓度对酶响应LDBCs自组装聚集体的解组装具有重要影响,酶浓度越大,LDBCs自组装聚集体的解组装速率越快,酶解越完全。例如,Harnoy等^[22]研究了PGA的浓度对具有4个苯乙酰胺末端基团的LDBCs胶束的酶响应性解组装性能的影响,其研究结果表明,PGA的浓度为0.14 μmol/L时,酶响应性LDBCs胶束不能完全被酶解;而加入浓度高的PGA(1.4 μmol/L)后,在相同的酶解时间,LDBCs胶束则能完全解组装。Qian等^[23]的研究结果也表明,随着木瓜蛋白酶的浓度增加,以PHEG为亲水性线形链、半胱胺或Bis-MPA脂肪族聚酯为疏水性树枝化基元的LDBCs自组装聚集体(胶束或囊泡)的解组装速率加快。

4 应用

4.1 作为药物载体

癌症是严重危害人类健康的疾病之一,由于肿瘤细胞基于增殖、扩散的需要,往往过度表达一些生物酶,因此,酶响应性LDBCs作为抗癌药物载体,在抗癌药物的靶向释放系统中具有重要的应用价值。Cai等^[39]制备了一种基于LDBCs负载阿霉素(DOX)的聚合物前药。将疏水染料光敏剂二氢卟酚e6(Ce6)封装在前药纳米粒子(NPs)中,获得了一种基于酶响应性LDBCs的药物释放系统LD-DOX/Ce6,LD-DOX/Ce6具有酶和pH双重响应性,可用于肿瘤的联合治疗。由于前药结构中Gly-Phe-Leu-Gly四肽和腙键的存在,在组织蛋白酶B高表达的肿瘤微环境和弱酸性条件下,纳米粒子的结构被解体,同时释放出DOX和Ce6,Ce6进一步受到激光照射产生活性氧(ROS),从而显著提高协同治疗效果,降低全身毒性,通过调节细胞凋亡、DNA修复和细胞周期阻滞来提高协同治疗效果,并通过抑制上皮间充质转化途径、转化生长因子-β 途径、血管生成和缺氧途径来抑制肿瘤转移。这一研究结果说明基于酶响应性LDBCs前药可以作为一类新的多功能药物载体,在癌症的治疗方面有着广阔的应用前景,酶响应性LDBCs与多种治疗剂结合,可用于针对癌症的多模式治疗,为癌症的治疗提供了新思路。

LDBCs对疏水性药物的搭载大致可分为两种方式:通过静电、疏水和氢键等非共价相互作用将药物包埋在两亲性LDBCs自组装形成的胶束的核中;通过共价键将疏水性药物连接到LDBCs分子中^[51]。Rosenbaum等^[52]制备了两种基于PEG亲水线形链、酯酶响应性亲脂性树枝化基元的LDBCs胶束,在第一种胶束中,疏水香豆素衍生的染料以非共价方式包埋在LDBCs胶束的疏水核内;在第二种胶束中,疏水染料分子通过酶可裂解键与疏水树枝的端基以共价键方式连接。研究了两种不同药物负载方式对载药量、稳定性和释放率的影响。结果表明,在猪肝酯酶的作用下,这两种胶束几乎能完全释放出负载的染料分子。以非共价键方式载药的胶束释药更快,而以共价键方式载药的胶束更稳定,载药量更大,但释药较慢。这一研究结果说明可以通过调整疏水药物的负载方式来调整胶束的有效载荷能力和释放速率(图7)。

4.2 在荧光成像探针领域的应用

荧光技术凭借其灵敏度高、选择性好、成本低和操作简便等优势,以及卓越的空间和时间分辨率,已被广泛应用于光学材料、分析化学、蛋白质构象和生物分析等各个领域的研究^{[53⇓⇓~56]}。然而,目前,关于人工合成的两亲性嵌段共聚物自组装胶束在酶作用下解组装并改变其荧光的研究报道较为有限^[41]。Buzhor等^[57]设计合成了一种单荧光染料处于亲水性PEG线形链和具有苯甲酸酯末端基团的亲脂性树枝化基元连接点上的两亲性LDBCs,它可以自组装成具有可调荧光响应的酶响应性胶束。在胶束中,由于分子间的相互作用,染料的荧光淬灭或者位移。当加入猪肝酯酶后,两亲性的LDBCs的疏水末端基团苯甲酸酯被酶解变成亲水性分子,胶束解组装,染料分子之间的相互作用消失,染料本身的荧光恢复,使荧光强度增加并蓝移。该研究将超分子组装和解组装转化为光谱响应,通过选择酶底物和荧光标记染料可调节酶响应性LDBCs的激活酶和光谱响应能力,这种方法可望用于制造先进的酶激活荧光成像探针。

5 结论和展望

LDBCs结合了线形高分子和树枝状大分子的优点,具有独特的结构和性能。酶作为生物体内的内源性物质,在正常细胞和病变部位的分布和表达均存在显著差异。酶具有高度的特异性,因此可选择具有高度特异性的底物(或含有酶切位点的基团)引入到LDBCs中,赋予LDBCs酶刺激响应性能。此外,这类共聚物一般具有很好的生物相容性,可以被应用于药物传输、疾病诊治、组织工程等生物医学领域。近年来,酶响应性LDBCs在合成、性能和应用方面都取得了可喜的研究进展,但与能对环境温度、pH、光和电场等非特异性刺激信号产生响应的LDBCs相比,对特异性酶具有响应的LDBCs的研究则起步较晚,相关的文献报道较为有限,这也为这类生物分子响应性聚合物的研究带来了机遇和挑战。

在酶响应性LDBCs的合成方面,目前使用最多的还是发散法。如前所述,发散法步骤繁琐,制备高代数产物时,产率不高,不易纯化和表征。而对用较为先进的偶合法合成酶响应性LDBCs的研究仅见两篇文献报道,并且都是用的CuAAC点击反应作为偶合的方法。CuAAC反应由于使用了Cu(Ⅰ)作为催化剂,使得产物中会残留重金属铜离子,具有较高的细胞毒性,并且在后处理中很难去除干净。这成为酶响应性LDBCs以作为药物载体为应用目的研究的一个瓶颈,因此需要将一些新的合成反应和手段、新的产物纯化方法应用于酶响应性LDBCs的合成,使这类生物分子响应性聚合物更能发挥其生物相容性好和特异性响应的优势,在生物医药领域得到实际应用。

在酶响应性LDBCs分子的组成设计方面,目前,组成酶响应性两亲LDBCs的亲水性线形链主要还是PEG,PEG在生物医药领域的应用中已显现出一些缺陷,因此,选择一些生物相容性和生物可降解性更好的材料,例如聚多肽,替代传统酶响应性LDBCs中的亲水线形链PEG也是一个酶响应性LDBCs研究方面的重要课题。在非PEG线形链酶响应性LDBCs的合成中,目前主要是用RAFT聚合,如能将更多的活性/可控聚合技术应用于酶响应性LDBCs线形链的合成,则可丰富此类共聚物的结构组成,可望获得性能更为优异的生物分子响应性聚合物。此外,由于目前已引入LDBCs的酶响应性基团的种类还比较少,已报道的酶响应性LDBCs只是对组织蛋白酶B、猪肝酯酶和青霉素G酰胺酶等少数几种酶有特异性响应。如能将更多种酶响应性基团引入LDBCs中,则可望获得对更多种类的酶特别是那些在癌细胞组织中过表达的酶具有特异响应性的LDBCs,用作抗癌药物的靶向释放载体,提高抗癌药物的治疗效果,降低其毒副作用。

在酶响应性LDBCs的性能和应用研究方面,目前主要集中在两亲性LDBCs的结构(如线形链长度和性质、树枝化基元的疏水性)对其自组装性能和酶响应性能的影响和作为药物载体的应用,而对此类共聚物的生物相容性的研究报道较少。总而言之,酶响应性LDBCs的研究还有巨大的空间,希望通过合理的分子设计和简单有效的合成方法,研制出性能更加优异的酶响应性LDBCs,扩大其应用范围,使酶响应性LDBCs在更多领域发挥其独特的作用。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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