麻省理工学院Robert Langer等AM:手性超微粒纳米医学

第一作者：Jihyeon Yeom

通讯作者：Robert Langer、Ana Jaklenes

通讯单位：麻省理工学院

研究亮点

1. 创建D-手性药物递送系统（DDS），提高细胞膜结合亲和力。

2. 开发了表面带有D-氨基酸的DDS，以最大限度地减少与由L-氨基酸组成的酶的相互作用，防止酶清除，增加循环时间。

3. 将小的手性纳米颗粒(NPs)组装成超纳米结构，此纳米结构可分解并从循环系统中清除，同时增加药物负载量和保留时间。

背景介绍：

手性在自然界中广泛存在，赋予具有相同元素组成但不可叠加的材料的生物、化学、机械和光学性质的唯一性和特异性。由于生物系统中的手性特异性相互作用，一种对映体可以发挥重要的生物功能，而另一种对映体则无活性，甚至有毒。因此，分子手性一直被认为是药物设计、药理学、毒理学、药代动力学和代谢的重要因素，大多数药物是以具有生物活性和安全性的单一型对映体形成的。

与分子手性相比，超分子手性及其在生物学中的潜在作用尚未被充分探索。由于生物系统的功能通常与其物理结构密切相关，手性在纳米医学中也可发挥重要作用，因此在设计新的生物材料时值得考虑。大多数超分子生物分子，如脂质和多糖，可根据它们的手性改变其性质。手性超分子在体内的许多生理变化中起关键作用，其功能障碍可能导致癌症、糖尿病和肥胖症等疾病。

基于此，手性纳米技术可以战略性地应用于开发新的生物材料，而一些药物递送系统(DDS)也在类似于天然手性超生物分子的尺寸范围。对于高效纳米DDS，应该满足以下要求：1)对生物表面(如细胞膜)具有有效的粘附性，2)抵抗酶消化以确保有效的血液循环，3)降解为小于4 nm的组分以实现肾脏清除，4)具有较高的载药能力。

成果简介：

有鉴于此，麻省理工学院Robert Langer和Ana Jaklenes研究团队通过修饰将L-，D-或DL-半胱氨酸覆盖在2-3 nm的氧化钴纳米颗粒表面，并将此纳米颗粒组装成手性超微粒（SPs）。此外，添加了二硫醇聚乙二醇(PEG)和PEG甲基醚，以驱动NPs之间的吸引和排斥竞争相互作用，用于控制SPs的自组装和自终止。石英晶体微天平的耗散和等温滴定量热测量揭示了这些手性特异性相互作用的机制。从热力学上看，与L-SPs相比，D-SPs对由磷脂和胆固醇组成的脂质层显示出更稳定的粘附性。在体内，由于相反的手性，D-SPs表现出优异的稳定性和更长的生物半衰期，从而保护其免受来自内源性蛋白质(包括蛋白酶)的伤害。这项工作表明，将D-手性结合到纳米系统中可以增强癌细胞的摄取，延长体内循环的稳定性，为生物材料中手性的重要性提供支持证据。

要点1：二硫醇PEG和PEG甲基醚的比例对SP的影响

由于钴与PEG两端的硫醇官能团之间的强结合，二硫醇PEG作为交联剂可促进SP生长。PEG甲基醚在PEG聚合物的两端都具有甲基和羟基，在构建基块NPs之间提供略微排斥的相互作用。羟基对钴也具有亲和力，这导致甲基暴露在表面，甲基的微疏水性与具有吸引力的二硫醇PEG竞争。由于端基效应，当系统达到热力学平衡时，SP生长终止。与PEG甲基醚相比，二硫醇PEG与PEG甲基醚以3：1的量进行合成时，所得产物是互连的链结构，而不是离散的SPs。当它们的比例为1：3时，获得较小的、不规则形状的SPs。这些结果表明，SP大小可通过两种具有吸引力和排斥性的竞争聚合物的比例来控制。

图1. 手性SPs的形成及表征

要点2：手性SPs与细胞间的相互作用

脂质是细胞膜的主要成分，且是手性的。该团队评估了从人骨髓内皮细胞和乳腺癌细胞中提取的脂质的光学活性。来自两种细胞系的脂质在大约270 nm处显示正的CD信号，其中D-SPs具有较强的正信号，而L-SPs则相反。由于具有相同光学活性的结构之间的吸引相互作用比相反的光学异构结构之间的相互作用更强，推测D-SPs将比L-SPs更有效地与细胞膜相互作用。

为了了解SP和细胞之间手性特异性相互作用，使用流式细胞仪和共聚焦显微镜定性定量地评估了SP的内化。结果显示，来自内化的D-SPs的荧光比L-SPs强3~4倍。石英晶体微天平的耗散实验也证实了D-SPs与脂质体的亲和力明显强于L-SPs。

图2. SPs的细胞内化

要点3：手性SPs的细胞毒性

为了确定SPs内化后的毒性，使用宫颈癌细胞、乳腺癌细胞、多发性骨髓瘤细胞和乳腺癌细胞进行细胞活性实验。符合预期，D-SPs比L-和DL-SPs有更高的细胞毒性水平。为了确定存活率的降低是否通过凋亡途径，对膜联蛋白-异硫氰酸荧光素(FITC)和碘化丙啶(PI)双染色细胞进行了荧光激活细胞分选器(FACS)分析。结果表明D-SPs诱导的细胞死亡主要通过线粒体膜损伤引起细胞凋亡。

图3. 手性SPs的细胞活性和死亡机制

要点4：手性SPs的体内降解情况

控制DDS降解对于有效药物输送和肾脏清除非常重要。使用与SPs共价结合的近红外荧光染料，评估了SPs在体内清除的情况。在30 min时，来自L-，D-和DL-SPs的荧光强度无统计学差异。2 h时，D-SPs清楚地显示了在体内的长时间滞留，导致更广泛的体内分布。24 h后，大部分L-SPs被排出，但仍有相当数量的D-SPs残留。结果表明，NPs从体内的主要排泄途径是通过肾或肝脏排泄到尿液和粪便中，这些过程主要受NPs大小的影响。当流体力学直径小于5 nm时，纳米颗粒显示出快速有效的体内排泄。SPs的小鼠器官分布结果也表明，大部分剩余的SP被困在肝脏和肾脏。

图4. 手性SPs在体内和体外的稳定性

小结：

此研究探索了纳米结构的手性效应来控制与生物系统的相互作用。D-SPs对由脂质分子组成的细胞膜表现出更高的吸引力和粘附性相互作用，导致细胞内化增加3-4倍。将D-手性分子结合到纳米系统中可以增强细胞摄取，延长体内循环稳定性，为手性在生物工程新材料中的重要性提供了支持。因此，手性纳米系统在DDS、肿瘤检测标记物、生物传感器以及其它生物领域具有应用潜力。

参考文献：

Jihyeon Yeom, Pedro P. G. Guimaraes, Hyo Min Ahn, et al. Chiral Supraparticles for Controllable Nanomedicine. Adv. Mater., 2019.

https://doi.org/10.1002/adma.201903878

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