谭蔚泓院士团队：聚合诱导自组装制备功能核酸聚合物纳米材料

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人工合成功能核酸 （Functional Nucleic Acid）因其生物兼容性，相对简易成熟的合成方法，以及其千变万化的核苷酸单体序列，在生物技术领域极具应用潜力。近年来, 科学家设计了一系列功能核酸诸如核酸适配体（Aptamer）, 脱氧核酶（DNAZyme），以及CpG寡脱氧核苷酸。它们被广泛地应用在靶向诊疗，催化，以及免疫治疗等领域。

然而，原始的或未经修饰的功能核酸，如同另一类广为人知的生物分子多肽一样，在人体体内的半衰期极短。一方面，人体细胞或组织里广泛存在核酸酶（Nuclease），可以引起功能核酸主链的磷酸二酯键的水解。另一方面，功能核酸的分子量相对较小，极易被人体代谢清除。此外，核酸主链显电负性，与同样带负电荷的细胞膜产生相互排斥的静电作用。因此，核酸进入细胞往往需要借助载体的帮助。

近日，美国佛罗里达大学的科学家们联手开发了一种合成三维功能核酸纳米材料的新方法。他们利用聚合诱导自组装技术（Polymerization Induced Self-Assembly）成功将功能核酸分子组装在聚合物纳米颗粒的界面。相比于未经修饰的功能核酸分子，这种新型的功能核酸超分子纳米材料展现出优秀的稳定性以及细胞膜穿透性（图一），为功能核酸在未来的实际应用提供了一条新颖而可行的途径。本文的第一作者为佛罗里达大学化学系的杨璐博士。通讯作者为中科院院士，湖南大学化学系教授谭蔚泓院士。该文近期发表在Wiley旗下著名化学生物领域期刊ChemBioChem。

图一：聚合诱导自组装制备三维功能核酸聚合物超分子纳米颗粒。

本文作者首先在功能核酸的末端引入了链转移剂，然后利用光引发可逆加成断裂转移聚合（Photo-RAFT）方法在水溶液中进行单体HPMA的链式可控聚合（图一和图二）。他们首先研究了核酸适配体Sgc8在这个聚合体系中的组装行为。作者发现随着聚合反应的进行，PHPMA嵌段逐渐增长并且水溶性下降，从而完成原位自组装成核。该过程形成了以核酸分子为壳，PHPMA聚合物为核的超分子纳米颗粒。随后的聚合反应主要在疏水的PHPMA核内进行。随着聚合度的继续增长，Sgc8核酸纳米颗粒的形貌从基本的球形逐渐进化到棒状，纳米线，甚至囊泡结构（图三）值得注意的是，作者巧妙地利用了葡糖氧化酶 (Glucose oxidase) 以及葡萄糖将水溶液体系的氧气除尽，保证了自由基聚合反应的高效进行。

图二：功能核酸高分子两嵌段聚合物的合成路径以及聚合物化学结构。

图三：聚合诱导自组装制备的Sgc8核酸适配体聚合物纳米颗粒形貌。透射电镜图表明核酸聚合物纳米颗粒的形貌随着聚合度的增高而逐渐进化。

接下来作者系统性地研究了Sgc8核酸聚合物纳米颗粒在血清中的稳定性，以及它们对人急性淋巴细胞白血病T淋巴细胞 （CCRF-CEM）的靶向和膜穿透能力（图四）。他们通过凝胶电泳发现未经修饰的Sgc8分子在10%的胎牛血清里降解速率很快，对应的条带在十二小时后基本消失。作为对比，Sgc8-PHPMA纳米颗粒的稳定性明显高于单独的Sgc8分子。这些核酸纳米颗粒在十二小时甚至二十四小时后依旧保留了大量完整的Sgc8结构（图四A）。接下来作者发现Sgc8-PHPMA纳米颗粒保留了Sgc8核酸分子对CCRF-CEM特异性靶向的功能，并且穿透并进入CEM细胞的能力远远强于单独的Sgc8分子（图四B和C）。

图四：（A）凝胶电泳表征Sgc8分子以及Sgc8-PHPMA纳米颗粒在10% 胎牛血清里的稳定性；（B）流式细胞仪验证Sgc8-PHPMA纳米颗粒对CCRF-CEM细胞的独特靶向性；（C）共聚焦显微镜观察Sgc8-PHPMA纳米颗粒穿透细胞膜，进入细胞的行为。

最后，作者将这个合成方法拓展到了CpG寡脱氧核苷酸，一类被广泛应用的免疫增强剂。与前文所述的Sgc8体系的结果类似，他们成功地制备出不同尺寸和不同形貌的CpG-PHPMA纳米颗粒。他们发现CpG-PHPMA纳米颗粒在血清里的稳定性，细胞内递送，以及免疫增强效果都要显著优于单独的CpG核酸分子（图五）。

图五：CpG核酸纳米颗粒的血清稳定性（A），细胞内递送（B），以及免疫增强实验（C和D）。

总之，这项研究巧妙地将现代可控聚合技术应用在功能核酸的结构设计上，制备出一系列结构稳定，性能优异的功能核酸超分子纳米材料，为此类生物材料在未来的实际应用提供了一条全新的思路。

参考文献：

Lu Yang et al. “Enhancing nucleolytic resistance and bioactivity of functional nucleic acids by diverse nanostructures via in situ polymerization-induced self-assembly”, ChemBioChem, 2020, doi:10.1002/cbic.202000712.

本文链接：

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cbic.202000712

来源：高分子科学前沿

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