中科大刘世勇/胡进明最新《JACS》：可调谐降解的聚合物纳米粒子
由两亲性嵌段共聚物 (BCP) 自组装的聚合物纳米粒子已被广泛用于运输生物医学应用的诊断和治疗剂。具有对外源性刺激响应行为的聚合物纳米粒子（如光照射、机械 力、磁场等）或与病理微环境相关的内源性刺激（如酸性 pH、酶、还原环境等）为治疗诊断剂的位点特异性递送提供了一种有前景的方法。到达目标位点后，刺激响应性纳米颗粒预计会随着封装有效载荷的释放而被选择性激活，这对于降低全身毒性和抑制背景干扰至关重要。暴露于特定刺激后，将实施常规的降解和分解过程通过一对一或级联退化方式。一对一的降解模型需要高浓度的特定刺激，而级联降解则可以利用自焚反应来放大外部刺激。因此，级联降解在高灵敏度纳米载体和光学探针的设计中受到越来越多的关注。然而，由于病理组织和正常组织之间的细微差别，传统的刺激响应纳米载体缺乏足够的敏感性。
鉴于此，中国科学技术大学刘世勇教授/胡进明教授报道了包含外部和内置触发器的两亲聚氨酯纳米粒子的制备。外部触发器的激活导致高反应性伯胺的释放，随后激活内置触发器，以正反馈方式释放更多的伯胺，从而在循环放大模型中引发胶束纳米粒子的降解。循环放大概念的通用性和多功能性已使用三种不同的触发因素成功验证（还原环境、光照射和酯酶）。这些刺激响应纳米粒子即使在存在微量外部刺激的情况下也表现出自传播降解性能。此外，酯酶响应纳米颗粒还可以通过放大癌细胞中过度表达的酯酶刺激物来区分癌细胞和正常细胞，从而能够选择性释放封装的有效载荷并杀死癌细胞。这项工作提出了一种强大的策略来制造对外部刺激具有高度敏感特性的刺激响应性纳米载体，显示出在癌症治疗中具有最小副作用的有前景的应用。相关工作以“Coordinating External and Built-In Triggers for Tunable Degradation of Polymeric Nanoparticles via Cycle Amplification”为题发表在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
两亲性聚氨酯嵌段共聚物的合成和自组装
作者首先合成含有两个苯甲醇基团和新戊酸酯触发器的单体 A 和 C，用作内置信号放大器（图 1）。在单体 C中引入额外的4-羟基苯甲醇间隔基使得可以通过 1,6-消除反应调节伯胺的生成速率。此外，合成具有相同新戊酸酯触发物的单体B作为对照。引入了光响应单体 T 和还原环境敏感的双（2-羟乙基）二硫化物作为外部触发物。通过二月桂酸二丁基锡 (DBTL) 催化加聚六亚甲基二异氰酸酯 (HDI) 和制备的单体（即 A、B、C、T 和双（2-羟乙基）二硫化物）制备两亲 BCP，然后通过用聚（乙二醇）单乙醚 (PEG45-OH) 终止。此外，还通过硫醇-马来酰亚胺点击化学合成了吲哚菁绿 (ICG) 标记的两亲性BP。所有两亲 BCP的结构明确。然后通过纳米沉淀法制造胶束纳米粒子，并通过动态光散射 (DLS) 和（低温）透射电子显微镜（（低温）TEM）确认胶束纳米粒子的形成。
图1两亲性聚氨酯嵌段共聚物的合成和自组装
胶束纳米颗粒通过循环放大的还原触发和光触发骨架降解
作者首先评估了还原环境触发的含二硫化物胶束纳米粒子（BPss-C1、BPss-MBE 和 BPss-C4）的降解（图 2）。胶束纳米颗粒在水性分散体中的还原触发降解是通过添加 1,4-二硫苏糖醇（DTT；10 mM）引发的。在 DTT 处理后，BPss-C1 和 BPss-MBE 纳米颗粒的洗脱峰逐渐转移到低分子量范围并且小分子片段同时增加。DLS 测量进一步用于检查 DTT 引发的胶束纳米粒子的降解。此外，通过低温 TEM 观察清楚地观察到还原环境引发的 BPss-C1 胶束的放大分解，揭示了从球形胶束到不规则聚集体的形态转变。在没有 DTT 的情况下，胶束纳米粒子的尺寸和散射强度在同一时间范围内（144 小时）保持不变，表明胶束纳米粒子对自发水解具有出色的稳定性。作者然后评估了 BPnb-C1 和 BPnb-C4 胶束纳米粒子的光触发降解。在 DTT (10 mM) 和氨基脲盐酸盐存在下，用紫外灯照射 45 分钟开始降解，用于原位捕获醌甲基化物和邻亚硝基苯甲醛。尽管 BPnb-C1 胶束纳米粒子在没有光照射的情况下在 14 天内相对稳定，但它们经历了光介导的放大降解和分解。综上所述，外部和内置触发器提供了一种通用且有效的程序来以循环放大的方式增强弱刺激，这对于生物医学应用程序来说是相当有吸引力的区分病理微环境从正常环境中分离出来并局部递送治疗剂。
图2胶束纳米颗粒通过循环放大的还原触发和光触发骨架降解
癌细胞中纳米颗粒的酯酶触发选择性降解
作者使用内源性酯酶作为 BP-C1 纳米颗粒的酯酶驱动自放大降解刺激（图 3）。在酯酶存在下对BP-C1胶束纳米粒子的GPC和DLS分析表明骨架降解和胶束分解有效，而BP-C1 胶束在没有酯酶的情况下相对稳定。随后，检查了加载NR的BP-C1胶束的荧光变化，表明酯酶处理后明显的疏水到亲水转换。在NR模型药物的选择性酯酶触发释放的鼓励下，将β-拉帕酮（Lapa）用作生物活性剂来探索BP-C1 胶束纳米载体的潜力。Lapa可以选择性地放大由细胞内醌氧化还原酶-1 (NQO1) 介导的细胞内活性氧 (ROS) 应激。为了进一步证实 BP-C1 胶束的细胞内化而不是泄漏的亲脂性碳菁染料（DiI），作者检查了 ICG-BP-C1 的细胞摄取性能（图4）。将ICG-BP-C1/BP-C1的混合胶束与4T1和 NIH3T3 细胞孵育后，孵育2小时后可以很容易地观察到ICG的红色荧光，表明胶束纳米颗粒的有效内化。此外，活/死试验进一步证实了对癌细胞的选择性毒性。在癌细胞中选择性释放封装的有效载荷有望优化治疗效果，同时最大限度地减少副作用。
图3 纳米颗粒的酯酶驱动自放大降解刺激
图4癌细胞中纳米颗粒的酯酶触发选择性降解
小结：作者成功合成了具有疏水性聚氨酯嵌段的两亲性BCP，该嵌段包含外部和内置触发器。在被包括还原环境、光照射和酯酶在内的外部刺激激活后，这种胶束纳米颗粒通过利用原位形成的伯胺介导的级联自放大作用而表现出加速的骨架降解。这些具有自传播降解行为的纳米颗粒的潜在生物医学应用。尽管酯酶反应性纳米颗粒可以被正常细胞和癌细胞吸收，但只有在酯酶过表达的癌细胞中才能实现 Lapa 的选择性释放，随后在NQO1 酶升高的情况下对癌细胞发挥选择性细胞毒性。这项工作阐明了具有自放大可降解特性的纳米载体的开发，这为开发对特定刺激具有高灵敏度的新型治疗诊断剂铺平了道路。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05617
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