国科大屈小中教授课题组 Angew：在高分子-蛋白多层次结构纳米组装体制备和应用研究中取得进展

2024-02-27 来源：高分子科技

蛋白质药物因具有精确的结合作用和较弱的脱靶效应而极具应用前景。然而，蛋白药物存在体内稳定性差、半衰期短等问题。比如在急性缺血性卒中溶栓治疗过程中，溶栓蛋白的循环时间较短会降低了溶栓效率，而提高剂量又会增加全身性出血风险。构建蛋白聚集结构是调控蛋白生物活性、体内循环时间和生物分布的重要方法。其中，探索合成具有中空结构的纳米或亚微米尺度蛋白组装体对于蛋白药物的仿生结构设计、纳米生物微反应器制备和药物递送系统研发等均有重要的科学和实际意义。目前，蛋白中空组装结构或蛋白囊泡的主要制备方法有蛋白组装法、两亲性高分子修饰蛋白自组装法和乳液界面凝聚法等，但在具有分级结构蛋白囊泡的制备方面仍存在一定挑战性。

日前，中国科学院大学屈小中教授课题组发展了一种基于功能蛋白与两亲聚合物胶束间相互作用的动态模板法，制备出可原位封装治疗物质的高分子交联蛋白囊泡。研究人员通过将苯并咪唑修饰在线性聚乙二醇（PEG）的端基上，使其在水溶液中形成聚合物胶束，其表面分布的苯并咪唑基团可与b-环糊精（b-CD）修饰的溶栓蛋白尿激酶（uPA）通过主-客体相互作用连接，从而改变界面稳定性并促使PEG链向胶束表面迁移结合更多蛋白分子，最终形成具有中空结构的蛋白壳层，即高分子交联uPA囊泡。在此过程中，预先将治疗物质（如超氧化物歧化酶SOD）负载于胶束模板中即可形成空腔中包载SOD的uPA@SOD囊泡。该团队进而与北京大学第一医院的合作者一起对囊泡进行了性能表征，发现uPA@SOD具有更长的体内循环时间，有利于其在脑组织微血管中的分布，因而在治疗大脑中动脉栓塞动物模型时，可以有效溶解微循环血栓并进行神经保护治疗，显著提高了后期窗口（> 4.5 h）溶栓和桥接治疗的效率（Chem. Eng. J. 2023, 455, 140705）。

在此基础上，该团队近期与中国科学院理化技术研究所的合作者一起，进一步将动态模板法与蛋白分步组装法联合，成功在温和条件下合成出有着多层次结构的中空蛋白组装体（图1）。

图1. 动态模板联合分步组装法制备多层次结构高分子-蛋白纳米组装体示意图。

在此工作中，研究人员实现了对高分子-蛋白组装体微结构及其表面形貌的调控，不仅获得了表面粗糙度可调的单层蛋白囊泡，还以单层蛋白囊泡为模板，得到了具有双层、三层结构的多蛋白囊泡，并使其具有环境响应性（图2、图3）。比如，在所制备的双层囊泡中，当以苯并咪唑修饰PEG交联外层蛋白、以金刚烷修饰PEG交联内层蛋白时，双层囊泡的外层壳层可在弱酸性条件下水解，暴露内层蛋白囊泡结构。有趣的是，体外细胞实验发现，粗糙表面囊泡较光滑表面囊泡具有更高的细胞内化效率。因此，当上述pH响应双层囊泡具有光滑外层、粗糙内层的表面结构时，人们可以通过改变环境pH值控制蛋白囊泡的细胞内化过程（图4）。

图2. 表面粗糙度可调控的单层和双层蛋白囊泡。

图3. 具有三层结构的球形蛋白囊泡、环状蛋白组装体、Janus蛋白囊泡和棒状多级组装体。

不仅如此，研究人员还发现当以蛋白囊泡为模板时，通过调节分步组装过程中加入高分子与蛋白的质量比，能够诱导蛋白与高分子在复合过程中发生相分离，从而组装出具有不对称结构的多蛋白纳米组装体，如包含BSA，uPA和SOD的蛋白“甜甜圈”及其通过二次组装形成的棒状组装体，以及葫芦状的BSA/uPA/SODJanus蛋白囊泡等（图3）。本工作制备高分子-蛋白纳米组装结构的方法具有一定普适性，为通过蛋白组装合成具有超分子结构和生物功能的纳米反应器提供了实验基础，也为今后构建用于生物医学领域的仿生多蛋白结构提供了新策略。

图4. 高分子-蛋白纳米组装体细胞内化的形貌依赖性。

相关工作以“Polymer-protein assemblies with tunable vesicular and hierarchical nanostructures”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。论文的第一作者为中国科学院大学博士研究生任盈颖，通讯作者为中国科学院大学屈小中教授及中国科学院理化技术研究所关山月副研究员。

原文链接：Ren, Y.; Guan, S.; Qu, X. Polymer-protein assemblies with tunable vesicular and hierarchical nanostructures.Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202317251.

https://doi.org/10.1002/ange.202317251

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（责任编辑：xu）

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