大连理工大学郑楠课题组 Chem. Sci.：基于多组分反应开发二级结构可调控的N-磺酰脒基聚多肽响应肿瘤微环境

2023-12-26 来源：高分子科技

由于肿瘤组织处较高的糖酵解速率及二化碳浓度，与健康组织和血液相比（pH = 7.4），肿瘤组织呈现出弱酸性微环境（pH = 6.0-7.2），其中，肿瘤细胞的胞外pH值约为6.5-7.2。由于肿瘤的胞外pH与健康组织的差异较小（差异仅为0.5 pH），开发更多的pKa在6.5-7.0范围内精准可调的基团仍受分子局限性的掣肘。前期，本课题组报道了一种新的多组分聚合方法用于合成N-磺酰基脒（SAi）聚合物，发现N-磺酰基脒聚合物在pH变化时表现出两性离子特性（Sci. China Chem. 2022, 65, 1798-1806）。一般认为，脒基作为“碱基”，可以质子化。然而，由于磺酰基的吸电子特性，SAi表现出与弱酸相似的特性，而不是碱。这一特点启发进一步探索其结构与pKa值之间的关系，拓展其在设计pH响应性聚合物方面的潜力。

人工合成多肽是一类具有丰富结构多样性、良好生物相容性和可降解性的蛋白质模拟物。独特的二级结构（如α-螺旋）使其具有优于非结构聚合物的独特性质和功能。此外，具有特定基团的多肽还可以形成不同的二级结构和构象，以响应各种外部或内部触发因素，如pH、氧化还原、酶、温度和光照。多肽的无规卷曲-螺旋构象转变已被证明可以激活穿膜活性。因此，侧链磺酰脒的pH响应特性也会诱导聚多肽的二级结构在无规卷曲与α-螺旋中智能转化，进一步实现穿膜活性、药物释放、药物分子活性方面的智能激活。

最近，大连理工大学郑楠课题组和大连医科大学王爱国课题组合作设计了一类刺激响应型SAi-聚多肽，该类型聚多肽可以在pH范围6.2-7.0实现无规卷曲到α-螺旋的构象转变，这与肿瘤酸性pH值相似。细胞和动物实验证明，该类型聚多肽可以在肿瘤酸性环境下，完成构象转变，促进在肿瘤部位的渗透和内化，提高化学治疗的效果（图1）。

图1（a）pH诱导SAi结构的电荷翻转和SAi-聚多肽的构象变化；（b）SAi-聚多肽响应肿瘤微酸环境的无规卷曲-α螺旋构象转变，促进细胞内化和化疗。

该课题组首先利用末端炔烃、磺酰叠氮和伯胺的多组分反应对聚多肽进行聚合后修饰，合成了SAi-聚多肽PPLG-EG₂，系统研究了SAi基团的化学物理性质，包括质子化能力、pKa和电性。Zeta电位显示其具有两性离子的性质，并滴定了该聚多肽的pKa为5.94，属于弱酸性，通过研究不同pH下PPLG-EG₂的圆二色（CD）光谱，发现其能够响应pH进行无规卷曲到α-螺旋构象的转变，并随着pH降低（质子化程度提高），其螺旋度逐渐提高。

图2. PPLG-EG₂的合成路线及化学物理性质：（a）合成路线；（b）不同pH下PPLG-EG₂的Zeta电位；（c）0.1 M NaOH溶液调节PPLG-EG₂的pH滴定曲线；（d）不同pH值下PPLG-EG₂的CD谱图；（e）PPLG-EG₂的pH -螺旋度图；（f）PPLG-EG₂的质子化程度-螺旋度图；（g）SAi的质子化/去质子化引起的卷曲到螺旋转变的示意图。

随后，作者进一步研究SAi结构的作用，采用相同的合成路线，延长末端的乙二醇链长度得到PPLG-EG₇，其响应行为与PPLG-EG₂相同（图3b），而将SAi结构与主链的距离延长（大于11个σ键），降低SAi对主链的影响，却得到具有稳定螺旋结构的PAHLG-EG₇（图3c），说明SAi-聚多肽的构象转变源于SAi的pH响应性。作者将其拓展具有离子末端的SAi-聚多肽中（PPLG-Bu和PPLG-Hex），结果显示其依然具有pH依赖的构象转变行为。综上，SAi结构在该类型聚多肽的构象调节中，起到至关重要的作用，并且能够拓展到不同的水溶性聚多肽中。

图3. 不同SAi结构多肽的合成路线及对应的化学物理性质。

考虑到SAi-聚多肽的pH响应性，作者考察了其作为智能药物载体的潜力。首先，作者合成了聚乙二醇嵌段的炔基聚多肽（聚合度为20和40），再通过后修饰的手段在侧链引入不同的SAi结构，成功合成了6种两亲性聚多肽。结果显示，SAi-聚多肽的pKa和pH_ct可以通过微调SAi的结构和多肽骨架的聚合度进行调节（图4）。最后，作者筛选出其中3种能够响应肿瘤酸性环境的聚多肽结构（聚合度为20的P₂₀-PA、P₂₀-HA、P₂₀-DA），并将其作为模型药物阿霉素（DOX）的载体，进行药物递送。

图4. 不同SAi结构的两亲性聚多肽的化学结构及化学物理性质。

作者进一步在细胞层面发现所筛选出来的SAi-聚多肽具有较好的膜活性（图5a和图5b），作为药物载体，能够增强药物有效的内化、释放和渗透（图5和图6）。在小鼠模型中，也证实其作为药物载体的前景，具有良好的生物安全性，且能够达到较好的化学治疗的效果（图7）。

图5. SAi-聚多肽的膜活性、DOX纳米胶束的摄取和内化。

图6. DOX纳米胶束的细胞内共定位、细胞毒性。

图7. 生物安全性和抗肿瘤效果。

综上，该课题组发展了一类响应肿瘤酸性环境进行构象转变的SAi-聚多肽作为药物载体，促进在肿瘤部位的渗透和内化，提高化学抗肿瘤的治疗效果。该工作首次报道了SAi基团未被发现的pH响应特性，为构象转变多肽和刺激响应性纳米材料的设计提供了新的思路。

相关成果发表在Chemical Science（N-Sulfonyl Amidine Polypeptides: A New Polymeric Biomaterial with Conformation Transition Responsive to Tumor Acidity. DOI: 10.1039/D3SC05504C），该课题得到国家自然科学基金（22375027）的资助以及中央高校基本科研业务费的资助（DUT23YG133）。论文的第一作者为大连理工大学化工学院博士研究生徐翔和大连医科大学硕士研究生马晋娟；通讯作者为大连理工大学郑楠副教授和大连医科大学王爱国教授。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D3SC05504C

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（责任编辑：xu）

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