光还原自降解高分子:克服超敏响应的时空障碍

刺激响应材料在过去的几十年中引起了极大关注。已经有多种基于内源和外源性刺激的高分子药物载体被设计出来。其中,对于pH、氧化还原和酶等生理内源性刺激源具有响应能力的高分子纳米体系在药物和基因递送等方面具有较高的应用价值,成为近年来材料学、生物医学和药学领域的研究热点。然而,这些生物响应型高分子材料在生物体内的应用效果面临诸多挑战。首先,内源性刺激源在不同个体、组织器官中呈异质分布,并随着病情的发展而不断变化,导致刺激响应的特异性不理想。其次,由于生物体的复杂性,不同细胞和细胞器中的刺激因子水平不平衡且始终处于动态变化的状态。此外,生物响应型材料体系与机体的持续反应可能会进一步消耗刺激源,从而导致响应效率下降。更重要的是,大多数刺激响应高分子纳米材料的敏感基团位于其疏水内核或被保护外壳屏蔽起来,给水分子、谷胱甘肽(GSH)、酶和其它生物大分子的攻击带来位阻障碍。因此,设计新颖的智能材料来克服刺激响应的时空障碍具有重要的意义。

光还原自降解高分子:克服超敏响应的时空障碍
图1.光还原自降解高分子示意图

近日,四川大学高分子科学与工程学院丁明明教授傅强教授谭鸿教授设计了一种光还原自降解高分子材料(PRSRP),将刺激源和还原敏感基团共同“关进”高分子“笼子”里,并使用光敏感基团“锁”住刺激源。该光还原自降解高分子材料在病灶生理环境中能够响应细胞内水平的谷胱甘肽实现主链的断裂。而在缺乏还原剂的情况下,该聚合物可以通过光照原位“解锁”还原基团,实现主链的还原自降解,从而克服刺激响应的时空障碍,提高了刺激敏感聚合物的响应速率(图1)。

为了实现该策略,研究团队首先合成了不同分子量的两亲性PRSRP,发现其在水溶液中通过多级自组装形成层状的囊泡结构(图1)。使用原位FTIR、1H NMR、GPC和MS等手段研究其光还原自降解的机理和产物。利用UV-Vis吸收光谱研究PRSRP的降解动力学,发现聚合物自组装体比溶液具有更快的降解速度。利用荧光药物模型证明该PRSRP自组装体相比传统的光敏感和还原响应高分子具有更高效的药物控释性能(图2)。

光还原自降解高分子:克服超敏响应的时空障碍
图2. PRSRP的刺激响应性和药物控释性能

进一步研究了PRSRP在细胞内药物递送方面的潜力,发现PRSRP能够携带抗癌药物阿霉素高效进入肿瘤细胞,同时保持自组装结构完整。在光照条件下,该纳米载体在细胞内表现出超敏响应和快速释药性能,将半抑制浓度降低4倍以上。此外,PRSRP具有良好的细胞相容性,而且能够光还原降解成易于被机体代谢和清除的小分子物质,在生物体内具有较大的应用前景。该研究通过分子设计克服了刺激响应的位阻障碍、渗透障碍等问题,同时避免了传统光降解高分子需要在主链引入复杂的光敏感基团等局限,因而该策略易于推广到其他材料体系,为智能响应高分子材料的设计提供了一种新思路。

光还原自降解高分子:克服超敏响应的时空障碍
图3. PRSRP自组装体的细胞内药物传递性能

以上相关成果以“Photo-ResponsiveSelf-Reducible Polymers: Overcoming the Spatiotemporal Barriers for Hypersensitivity”为题发表在《ACS Materials Letters》期刊上。论文第一作者为四川大学硕士研究生翁闯,共同通讯作者为丁明明教授和傅强教授。该项研究工作得到国家自然科学基金(51873118,21474064,51203101)、国家杰出青年科学基金(51425305)和高分子国家重点实验室项目的资助。

文章链接:

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

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