基于生物刺激源的響應(yīng)性聚合物及其可控自組裝

張 建， 馬明煊， 閆 強（復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系，聚合物分子工程國家重點實驗室，上海200433）

特約綜述

基于生物刺激源的響應(yīng)性聚合物及其可控自組裝

張 建， 馬明煊， 閆 強
（復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系，聚合物分子工程國家重點實驗室，上海200433）

基于生物刺激源的響應(yīng)性大分子自組裝體系對智能聚合物領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。本文回顧并綜述了近年來在該領(lǐng)域內(nèi)針對生物大分子及各種小分子作為刺激源的大分子自組裝體系及其研究現(xiàn)狀。依據(jù)不同類型的刺激源進行分類，論述了近年來的研究進展，并合理展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展前景。

生物刺激源；響應(yīng)性大分子；可控自組裝

刺激響應(yīng)性聚合物（stimuli-responsive polymer）是智能大分子的一種類型，其受到一定的因素（輸入信號）擾動時能夠發(fā)生結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化，同時顯示功能變化（輸出信號）［1］。這一類高分子作為智能大分子的主體，具有優(yōu)良的物理與化學(xué)性能，并且在納米技術(shù)［2］、功能材料［3］、生物成像與傳感［4-5］等諸多領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景，在納米科學(xué)、材料科學(xué)與仿生科學(xué)等不同交叉學(xué)科都發(fā)揮著突出作用，引領(lǐng)著功能高分子材料發(fā)展的方向［6-7］，因此受到人們越來越多的關(guān)注與研究，成為現(xiàn)代高分子科學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域。

刺激響應(yīng)性聚合物能夠在生理環(huán)境下自組裝形成特定形狀（如球狀膠束或囊泡等）的智能納米載體（smart nanocarriers），當(dāng)在內(nèi)部負載藥物分子后，基于大分子本身對病理細胞的高滲透/滯留效應(yīng)（EPR）與刺激響應(yīng)性解離的特性，能夠有效地實現(xiàn)對負載分子可控釋放的功能，同時降低對正常細胞的毒副作用［8］。因此，刺激響應(yīng)性聚合物在納米藥物、臨床診斷、靶向治療、醫(yī)學(xué)成像等生物醫(yī)學(xué)前沿蘊藏著巨大應(yīng)用價值。

近些年來國內(nèi)外對于刺激響應(yīng)性聚合物的研究與應(yīng)用一直都著眼于不同類型的刺激源開發(fā)中［9］。針對響應(yīng)型聚合物組裝體系的開發(fā)與利用取得了矚目的進展，依托于傳統(tǒng)的外源性物理或化學(xué)刺激源已形成了較成熟的聚合物組裝體系，比如，Armes課題組［10］以聚N，N-二乙基甲基丙烯酸乙二胺酯為質(zhì)子敏感性鏈段制備了p H響應(yīng)型聚合物膠束。之后，國內(nèi)外針對傳統(tǒng)化學(xué)或物理刺激條件的開發(fā)，包括p H、氧化還原劑、離子、溫度、磁場、電場、光輻射等取得了極大的進展，基于傳統(tǒng)刺激方式而制備的響應(yīng)性聚合物組裝體系也已日漸完備［11-25］。

但需要指出的是，這一類聚合物最值得人們關(guān)注的一點就是某些刺激響應(yīng)類型與生物體系中的生物信號應(yīng)激行為類似，這就為揭示生物活性機制以及指引仿生材料的發(fā)展提供了無限的可能性［26］。近年來，許多刺激響應(yīng)性聚合物的新興以及前瞻性的應(yīng)用要求其可以適應(yīng)人體的生理條件（多為細胞內(nèi)利用），但是傳統(tǒng)的刺激響應(yīng)模式并不能滿足某些特定的需求，比如，包括基于p H、氧化還原劑在內(nèi)的大多數(shù)刺激模式，需要相應(yīng)化學(xué)制劑的連續(xù)加入，這些物質(zhì)在體內(nèi)經(jīng)過多次刺激-應(yīng)答循環(huán)后不斷累積，不易被清除或被細胞分解，且被證實會引起細胞毒性［27］。除此之外，電場能、磁場能、機械力或紫外光輻射能等［28］刺激模式會在一定程度上造成基因突變或細胞永久性損傷。另外，在納米載體領(lǐng)域，響應(yīng)性聚合物納米載體的作用方式是利用正常細胞與病理細胞間生理微環(huán)境的差異性進行靶向輸運與控制釋放。但大部分疾病已被證明胞內(nèi)環(huán)境差異有限，傳統(tǒng)刺激方式與聚合物結(jié)構(gòu)之間的選擇性與特異性不足，聚合物組裝體進入生物體內(nèi)后未達到病灶處即被正常細胞的生理環(huán)境所解離，難以實現(xiàn)藥物的有效生物分布［29］。因此，為了消除在刺激響應(yīng)過程中副產(chǎn)物的產(chǎn)生并滿足可以在人體內(nèi)進行應(yīng)用的要求，開發(fā)新型的刺激模式就變得迫在眉睫。

由此，人們設(shè)想是否可以直接采用細胞內(nèi)存在的各種內(nèi)源性生物信號作為刺激源（生物刺激源）構(gòu)建聚合物組裝體系，如細胞信使分子、激素、代謝產(chǎn)物、維生素、脂類和酶等，這將是刺激響應(yīng)性聚合物領(lǐng)域嶄新且極有意義的發(fā)展方向。這是因為：（1）生物信號分子屬于細胞天然代謝或分泌物，無生理毒性，可有效避免細胞損傷，其內(nèi)源特質(zhì)不存在化學(xué)污染物累積問題；（2）疾病產(chǎn)生的病理本質(zhì)是由于分子層次上某種特定生物信號分子或特定蛋白的代謝異常所引起，這勢必導(dǎo)致正常細胞與病理細胞之間該生物分子的顯著性濃度差異，利用該特異性差別，可以呈幾何級數(shù)形式放大對該種生物分子的特異性響應(yīng)能力；（3）生物信號分子范圍廣泛，本身隸屬于生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)等學(xué)科的研究對象，利用其作為刺激源在響應(yīng)性聚合物中應(yīng)用，勢必進一步推動聚合物科學(xué)與上述眾多學(xué)科之間的交叉與聯(lián)系，從而拓延新生的科學(xué)知識。

生物刺激源根據(jù)其分子類型主要劃分為兩類：

（1）生物大分子型，包括酶（enzyme）、DNA等；（2）小分子生物信號，包括神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子（cell signaling）、代謝物（metabolite）、生物活性分子（bioactivator）、反應(yīng)活性物種（reactive species）、激素（hormone）、維生素（vitamin）等（如圖1所示）。接下來，本文將根據(jù)構(gòu)建響應(yīng)性大分子組裝體系的生物刺激源種類展開敘述。

圖1　生物刺激源響應(yīng)的大分子可控自組裝Fig.1 Controllable self-assembly of biological stimuli-responsive polymers

1　生物大分子型

1.1酶

通常病態(tài)細胞伴隨著某種酶的過度表達，同時由于良好的生物兼容性以及高度的選擇性［30］，酶響應(yīng)性的聚合物組裝體受到人們廣泛的青睞。比如，在多種類型的腫瘤細胞中某些酶的濃度高于正常水平，那么由此就可以構(gòu)建基于酶響應(yīng)的載藥體系用于抗腫瘤藥物的緩釋與癌癥的治療［31］。

近5年來國內(nèi)外在該方向上的研究進展主要集中于對大分子蛋白的刺激方式開發(fā)上。比如：Thayumanavan等［32］在近期選用功能化基團修飾的兩親性多肽作為模板，以苯磺酰胺-牛碳酸酐酶（bCA-Ⅱ）之間的相互作用為驅(qū)動力，實現(xiàn)了酶響應(yīng)性的聚合物解組裝以及模型藥物的釋放，如圖2所示。作者指出，盡管響應(yīng)性分子組裝體已經(jīng)被用于藥物的輸送與診斷領(lǐng)域，但是針對蛋白質(zhì)活性響應(yīng)的相關(guān)體系還非常有限，而異常的蛋白質(zhì)活性在所有的遺傳性疾病中都很普遍。雖然針對酶活性變化的組裝體系已經(jīng)取得了重要的進展，但針對非酶蛋白質(zhì)的響應(yīng)性組裝體卻鮮有報道。多肽類聚合物由于其良好的生物兼容性、生物可降解性與高保真響應(yīng)解組裝等特性，將會在該領(lǐng)域大放異彩。

圖2　基于蛋白質(zhì)-配體結(jié)合機制的多肽類聚合物解組裝體系［32］Fig.2 Polypeptide assemblies based on protein-ligand interactions［32］

圖3　蛋白與脂酶雙控的超分子解組裝體系［33］Fig.3 Protein and lipase dual-triggered supramolecular disassembly system［33］

Thayumanavan等還設(shè)計了一種兩親性的樹枝狀聚醚（如圖3所示），并實現(xiàn)了蛋白與脂酶雙控的超分子解組裝體系［33］。其中，疏水的香豆素酯位于兩親性類膠束組裝體內(nèi)部而避免了與脂酶的接觸，但是由于組裝體親水表面的二硝基苯單元可以與anti-DNP免疫球蛋白（IgG）結(jié)合使得兩親性聚醚單分子與聚集體之間的平衡被打破（平衡移向單分子），從而導(dǎo)致組裝體的崩塌；此時疏水端的香豆素酯單元暴露并與脂酶作用而使香豆素的熒光發(fā)射恢復(fù)。除此之外，該團隊通過將這一類聚醚引入苯磺酰胺與生物素末端官能團，還先后實現(xiàn)了對生物蛋白碳酸酐酶與親和素刺激響應(yīng)的解組裝體系。該課題組還首次開發(fā)了一類基于蛋白質(zhì)-配體結(jié)合機制的聚合物解組裝體系，如圖4所示。首先，將一種蛋白質(zhì)配體（biotin）修飾到兩親性樹枝狀聚醚的親水側(cè)，在水中該樹狀聚醚自組裝形成類膠束組裝體并包裹疏水性客體分子。當(dāng)加入一種抗生物素蛋白（extravidin）后，由于biotin與extravidin之間的結(jié)合作用，膠束表面的配體被親水性的蛋白所取代，導(dǎo)致樹狀分子親疏水平衡的劇烈變化，從而使得其組裝體結(jié)構(gòu)解離，其包裹的客體分子釋放［34］。

Khan等［35］將親水性的聚乙二醇（PEG）鏈段和疏水性的聚苯乙烯（PS）鏈段通過偶氮相連接，由此構(gòu)建的兩親性嵌段聚合物可以在水相中自組裝形成膠束結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在偶氮還原酶與輔酶NADPH的作用下，聚合物中的偶氮連接處斷裂，形成獨立的PEG鏈段與PS鏈段，由此膠束組裝體崩塌，新生成的PEG鏈段溶于水中，PS鏈段形成沉淀。這一結(jié)果表明偶氮苯可以作為一種有價值的非天然功能化單元用于酶響應(yīng)性聚合物組裝體的構(gòu)建。而由于偶氮還原酶的敏感性，這一類材料的潛在應(yīng)用價值體現(xiàn)在靶向結(jié)腸的特異性藥物輸運體系等方面。

圖4　基于蛋白質(zhì)-配體結(jié)合機制的聚合物解組裝體系［34］Fig.4 Polymer disassembly system based on protein-ligand interactions［34］

圖5　應(yīng)答偶氮還原酶的聚合物組裝體［35］Fig.5 Azoreductase-sensitive polymer assemblies［35］

于此同時，張希課題組［36］通過三磷酸腺苷（ATP）-離聚物復(fù)合物開發(fā)了磷酸脂酶響應(yīng)型的聚合物膠束，其機制如圖6所示。

圖6　基于ATP-離聚物復(fù)合物的磷酸脂酶響應(yīng)型聚合物膠束［36］Fig.6 Phospholipase-responsive ATP-polymer ionomer complex［36］

眾所周知，ATP在生理條件下包含有一個疏水的腺嘌呤單元，并且其膦酸苷鍵可以被磷酸酶水解而由多負電荷的分子轉(zhuǎn)變?yōu)橹行缘南汆堰?。由此，作者利用帶有正電荷鏈段的兩嵌段聚合物（PEG-b-PLKC）（PLKC為聚賴氨酸）與ATP之間的靜電相互作用，構(gòu)建以腺嘌呤為疏水核的ATP-離聚物復(fù)合物膠束。隨著磷酸酶的加入，ATP開始水解而使之前的復(fù)合物解離，組裝膠束也隨之崩塌。

1.2DNA

DNA具有良好的生物兼容性與可程序化控制性，同時兼具易于制備、便于修飾的特點，因此成為理想的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑材料，并被應(yīng)用于DNA納米技術(shù)領(lǐng)域［37］。人們已經(jīng)將有機與無機合成分子修飾的DNA用于構(gòu)筑超分子DNA組裝體［38］，從而使得DNA納米結(jié)構(gòu)的功能性更為豐富。利用這些三維結(jié)構(gòu)，人們已經(jīng)可以實現(xiàn)最小DNA的柱狀結(jié)構(gòu)組裝，精確調(diào)控其納米管的相關(guān)參數(shù)，以及在其內(nèi)部營造疏水環(huán)境等［39］。

Sleiman等［40］使用DNA短鏈構(gòu)建了類脂質(zhì)分子修飾的DNA“立方籠”，這些脂質(zhì)可以通過分子內(nèi)相互作用在DNA“立方籠”內(nèi)相互“握手”（如圖7所示），從而形成穩(wěn)定的膠束結(jié)構(gòu)并將藥物模型（尼羅紅）包裹，在特定核酸序列的情形下，“立方籠”內(nèi)成核的單元通過序列取代的方式被“擦除”，藥物模型得以釋放。包括腫瘤細胞在內(nèi)的多種病變細胞存在某種基因的過度表達，所以在以后的應(yīng)用中，DNA“立方籠”可將藥物輸運至病變細胞的環(huán)境中，從而觸發(fā)藥物釋放。隨后，該課題組［41］設(shè)計了一種動態(tài)的DNA“立方籠”，此“立方籠”可以在特定核酸序列（存在于前列腺癌細胞中）識別的基礎(chǔ)上選擇性地打開，并形成二維結(jié)構(gòu)，如圖8所示。這一“立方籠”架構(gòu)對核酸酶表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，甚至在耐藥性的細胞株中都表現(xiàn)出優(yōu)良的細胞吸收行為。作者用疏水與親水的樹狀DNA鏈段修飾該“立方籠”后發(fā)現(xiàn)，在維持其靶向序列響應(yīng)能力與其在生物環(huán)境中穩(wěn)定性的前提下，“立方籠”被細胞吸收的行為大大改變。作者指出，這項工作為特異性響應(yīng)（針對病變細胞中過表達的核酸序列）的DNA“立方籠”的創(chuàng)建提供了堅實的基礎(chǔ)，這一研究可能被用于輸運多種靶向治療的核酸藥物。

圖7　DNA響應(yīng)性納米“立方籠”載運體模型［40］Fig.7 DNA-responsive“nanocube”carriers［40］

2　小分子生物信號

與生物大分子相比，小分子類生物信號在細胞內(nèi)的分布更加廣泛，對相關(guān)生物體機能的調(diào)控更加敏感，細胞穿透性更好，在生物體與細胞內(nèi)的濃度也遠高于生物大分子，因此從作為生物刺激源的角度來說，開發(fā)基于小分子類生物信號的刺激響應(yīng)性聚合物具有更大的應(yīng)用價值。但是，生物體以及細胞中存在多種結(jié)構(gòu)或者性質(zhì)類似的生物活性小分子（以H2S為例，細胞中共存有半胱氨酸（Cys）、高半胱氨酸（Hcy）、谷胱甘肽（GSH）等多種性質(zhì)相似的含硫物種［42］），因此合理設(shè)計對特定生物信號具有特異響應(yīng)性的聚合物結(jié)構(gòu)成為解決上述問題的關(guān)鍵所在。

圖8　具有特異響應(yīng)性的動態(tài)DNA“立方籠”［41］Fig.8 Specific-responsive dynamic DNA“nanocube”［41］

2.1神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子

2.1.1硫化氫 眾所周知，H2S是一種大氣污染物，但它同時也是一種非常重要的神經(jīng)調(diào)質(zhì)與細胞信號分子。在細胞中，H2S由L-半胱氨酸經(jīng)過胱硫醚γ-裂解酶分解生成［43］。最新的研究表明，H2S在調(diào)節(jié)血管擴張，抗發(fā)炎以及誘導(dǎo)細胞凋亡等方面有著重要的作用［44］。H2S的代謝紊亂與包括心血管病以及神經(jīng)衰退型疾病在內(nèi)的多種疾病直接相關(guān)?？紤]到H2S在細胞中的重要性，我們課題組最近開發(fā)了一種利用H2S作為刺激源的聚合物組裝-解組裝體系，并成功地實現(xiàn)了相應(yīng)靶向藥物（腎上腺素）的輸運［45］。

我們設(shè)計并合成了一種新型的含有雙取代芐基酯（Az MB）類結(jié)構(gòu)的兩親性聚合物（如圖9所示），該聚合物可以在水相中自發(fā)組裝形成囊泡結(jié)構(gòu)，并且功能化響應(yīng)基團賦予這些囊泡對于生物信號分子H2S獨特的靈敏性。H2S可以通過Az MB特定位點的斷裂促發(fā)聚合物囊泡可控地解組裝并由此改變聚合物的兩親性，從而導(dǎo)致聚合物囊泡的可控解組裝行為。由此，我們認為如果將可以產(chǎn)生H2S的蛋白質(zhì)修飾在囊泡膜上，那么從某種程度上來說，該聚合物的響應(yīng)范圍就可以從簡單的H2S擴展到較為復(fù)雜的生物分子。從藥物載運的角度來說，這種內(nèi)源性刺激響應(yīng)模式的納米載體有望應(yīng)用于細胞內(nèi)靶向釋放與治療，與此同時這一類聚合物模型也為構(gòu)建生物刺激響應(yīng)的納米膠囊提供了新的思路與方向。

2.1.2一氧化氮 一氧化氮（NO）雖然對人體健康具有潛在的危害，但它可以作為內(nèi)皮細胞舒血管因子（EDRF）以及生物信號分子，在細胞水平上發(fā)揮重要的作用［46］。NO是一種在活體組織中生物合成的、半衰期較短（僅為幾秒）的氣態(tài)自由基物種，它在生物體的心血管、神經(jīng)與免疫系統(tǒng)中承載信使分子的角色［47］，并可以影響其響應(yīng)的生理活性［48］。人體中NO濃度異?？蓪?dǎo)致心血管障礙，胃腸痛，神經(jīng)變性以及高血壓等多種疾病［49］。由此，Davis等［50］開發(fā)了一類NO刺激響應(yīng)的聚合物（P（NIPAM-co-NAPMA）與P（NIPAM-co-APUEMA）），其響應(yīng)機制在于聚合物中的鄰苯二胺單元與NO之間的反應(yīng)：對于聚合物P（NIPAM-co-NAPMA），相應(yīng)的酰胺鍵取代的苯并三唑衍生物中間體可以自發(fā)地水解生成苯并三唑；而對于P（NIPAM-co-APUEMA），脲功能化的苯并三唑衍生物卻可以穩(wěn)定存在。作者同時證實，可以利用NO的刺激作用調(diào)節(jié)兩種溫敏性聚合物的低臨界溶解溫度（LCST）值（顯著升高與降低）。更重要的是，依靠NO（極低濃度）觸發(fā)的疏水基元的形成，可以精確調(diào)控聚合物P（NIPAM-co-APUEMA）的自組裝（膠束）過程。這一研究為NO刺激響應(yīng)的藥物釋放奠定了非常重要的理論基礎(chǔ)，如圖10所示。

2.2代謝物

2.2.1二氧化碳 由于溫室氣體效應(yīng)CO2受到人們普遍重視的同時，有越來越多的研究表明，它作為新陳代謝的一種主要產(chǎn)物，已經(jīng)被證明與包括血碳酸過多癥在內(nèi)的某些生理疾病有關(guān)［51］，而對生物體動脈與靜脈CO2水平的監(jiān)測也會為生理狀態(tài)的診斷提供重要的依據(jù)［52-53］。另外，CO2具有良好的生物兼容性與生物膜穿透性［54］，因此它可以作為一種刺激源應(yīng)用于人體生理環(huán)境。［］

圖9　基于H2S刺激響應(yīng)的聚合物囊泡［45］Fig.9 H2S-responsive polymersomes［45］

圖10　基于NO刺激響應(yīng)的溫敏性聚合物50Fig.10 NO-responsive thermally sensitive polymers［50］

CO2可以選擇性地與某些功能基團（如叔胺基、脒基、胍基等）反應(yīng)而使之轉(zhuǎn)變成親水性物種，同時惰性氣體（氬氣或氮氣）又可以很容易地實現(xiàn)上述反應(yīng)的逆過程，這意味著該可逆過程可以在沒有任何化學(xué)制劑累積的情況下實現(xiàn)多次“開-關(guān)”循環(huán)［55］。因此，對于聚合物組裝體系而言，CO2是一種真正意義上的溫和的“綠色”刺激源。本課題組自2010年開始，一直致力于以CO2為刺激源的聚合物組裝-解組裝體系研究，利用聚合物對CO2的類“呼吸”行為，成功開發(fā)了基于CO2刺激響應(yīng)的一系列功能化應(yīng)用，包括仿生納米容器、蛋白分離、仿生細胞等。

2010年［56］我們利用一種含有脒功能基團的兩親性嵌段共聚物（PEO-b-PAD）（PAD為聚十二烷基脒基丙烯酰胺），成功實現(xiàn)了其囊泡狀組裝體在水溶液中對CO2的刺激響應(yīng)，使其可以進行仿生“呼吸”運動（如圖11所示）。首先，PEO-b-PAD自組裝形成尺寸為110 nm，膜厚22 nm的囊泡狀組裝體；隨著CO2對脒基團質(zhì)子化程度的提高，囊泡的體積增大到205 nm；當(dāng)用Ar刺激上述體系時，體積增大的囊泡可逆地縮減到原來的尺寸，該過程類似于肺泡細胞的“呼吸”式運動。

圖11　CO2響應(yīng)性嵌段共聚物PEO-b-PAD組裝體的仿生“呼吸”運動［56］Fig.11 CO2-responsive PEO-b-PAD copolymer for mimicking“breathing”motion［56］

隨后，我們證實利用該聚合物對CO2的刺激響應(yīng)性，在通過調(diào)節(jié)CO2對聚合物中的脒嵌段的質(zhì)子化程度而改變其囊泡組裝體大小的同時，也可以實現(xiàn)對囊泡膜通透性的調(diào)控［57］。利用這一特性，我們可以實現(xiàn)對某些組分的逐級釋放與客體分子的選擇性分離。此外，該囊泡可以像細胞一樣區(qū)分不同類型的酶催化反應(yīng)。我們期望這種可控的囊泡結(jié)構(gòu)可以幫助人們更好地模擬細胞膜結(jié)構(gòu)并進行更深層次的應(yīng)用。

高爾基體是一種重要的細胞器，主要功能在于對蛋白質(zhì)的修飾與傳遞。在該過程中高爾基體可以展現(xiàn)出多種不同的自組裝形貌（從細管經(jīng)過囊泡到柱狀體與球等）以實現(xiàn)上述不同的功能。最近我們利用一種對CO2刺激響應(yīng)的三嵌段共聚物PEO-b-PAD-b-PS，實現(xiàn)了對高爾基體組裝形貌的模擬過程［58］（如圖12所示）。

圖12　CO2響應(yīng)性三嵌段共聚物PEO-b-PAD-b-PS對高爾基體組裝變形的模擬［58］Fig.12 CO2-responsive deformation of PEO-b-PAD-b-PS triblock copolymer assemblies Golgi apparatus motion［58］

具體來說，該聚合物以疏水性的PS為內(nèi)核，對具有CO2刺激響應(yīng)性的PAD為中間層，外層為親水性的PEO。在水相中，聚合物可以自組裝形成一種剛性的管狀形貌（其軸向長度可以達到微米尺度，直徑為320 nm到680 nm不等），將CO2通入此溶液中15 min，該管狀結(jié)構(gòu)完全消失，取而代之的是平均尺寸為410 nm的亞微米囊泡。當(dāng)通入氣體25 min時，溶液中的組裝形貌從囊泡經(jīng)由“串珠狀”柱狀體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钅z束，該過程剛好與細胞中高爾基體的形貌演變類似。上述聚合物組裝體形貌轉(zhuǎn)變的機制在于：聚合物中間鏈段PAD受CO2不斷刺激而質(zhì)子化程度逐漸增加，從而導(dǎo)致聚合物整體親水鏈段比重的持續(xù)升高。在CO2刺激之前，由于聚合物鏈之間較弱的相互作用以及緊密的鏈排列，聚合物組裝成曲率最低的管狀結(jié)構(gòu)；在CO2刺激下，PAD鏈段中的脒基團質(zhì)子化成為脒鹽，外層鏈之間的靜電排斥作用力增強，迫使管狀聚集體為了最小化其表面自由能而減小體積，形成較高曲率的囊泡結(jié)構(gòu)；進一步的CO2刺激將會使得靜電排斥力進一步增加，從而使組裝體進一步升高曲率而形成柱狀體與球狀膠束。因此，通過調(diào)節(jié)CO2濃度而調(diào)控嵌段共聚物親疏水鏈段比例，可以準確地控制由該三嵌段聚合物形成的自組裝聚集體的界面曲率以及形貌。

作為一種生物體的固有特性，在生理條件刺激下細胞器的形變對相應(yīng)生物功能的執(zhí)行以及維持細胞活性至關(guān)重要。比如，一些細胞器展現(xiàn)出自發(fā)式的運動，細胞內(nèi)的脂滴細胞器可以經(jīng)過某些活性的生物分子自調(diào)節(jié)它們的球狀尺寸，以儲存或者釋放其內(nèi)部的營養(yǎng)素；微絲經(jīng)歷有絲分裂的過程中可以改變其形狀（從卷曲型轉(zhuǎn)變?yōu)樯熘钡睦w維）以幫助細胞的運動；溶酶體具有內(nèi)吞作用，其膜可以通過凹入與裁剪避免有害固體顆粒的攝入（如圖13所示）。

圖13　CO2響應(yīng)性三嵌段共聚物（OSA）對細胞器變形的模擬［59］Fig.13 CO2-responsive triblock copolymer OSA for mimicking the deformation of organelles［59］

我們通過調(diào)換CO2響應(yīng)鏈段與疏水性PS鏈段的位置，成功地實現(xiàn)了對細胞器形變過程的模擬［59］。該三嵌段共聚物（OSA）依次由外層親水性的PEO鏈段（O），中間疏水性的PS鏈段（S）以及對CO2具有刺激響應(yīng)性的聚N，N-二乙基甲基丙烯酸氨乙酯（PDEAEMA）鏈段（A）構(gòu)成。保持相同長度的O鏈段以及相似長度的A鏈段，通過改變S鏈段的程度，OSA共聚物可以自組裝形成3種初始的納米結(jié)構(gòu)，分別為球狀膠束，蠕蟲狀膠束與巨型囊泡（此時A鏈段均位于核內(nèi)部）。對于含有最短S鏈段的聚合物O113S30A52，通過CO2的連續(xù)加入，其球狀膠束組裝體尺寸可以實現(xiàn)從24 nm到45 nm的連續(xù)增大，這與脂滴的自調(diào)節(jié)“呼吸”特性類似；對于含有較長S鏈段的聚合物O113S72A52，其在水相中可組裝形成高長度-直徑比例的卷曲與折疊狀的納米纖維結(jié)構(gòu)，隨著CO2的連續(xù)加入，其初始的卷曲纖維轉(zhuǎn)變成平直納米線，這剛好與微絲的彈性伸縮運動類似；對于含有最長S鏈段的聚合物O113S72A52，在水相中可以形成巨型囊泡（600 nm）的組裝結(jié)構(gòu)，隨著CO2的連續(xù)加入，巨型囊泡被微區(qū)化為較小尺寸（40～180 nm）的由連續(xù)膜分離的不規(guī)則液泡，該過程從一定程度上來說，與溶酶體的內(nèi)吞行為類似。上述基于OSA三嵌段共聚物的各種組裝體形變的關(guān)鍵在于CO2響應(yīng)片段PDEAEMA（初始具有疏水性）位于疏水核的內(nèi)部并被S鏈段限制，當(dāng)A鏈段受CO2質(zhì)子化后電荷化與親水性逐步增加，雖然不能自由溶解，但它可以吸收更多的水。這項研究表明，外部鏈段的相互排斥與內(nèi)部鏈段的受限水合的協(xié)同作用，是一種有效的控制CO2刺激響應(yīng)的三嵌段聚合物組裝變形的策略，而且這一類CO2調(diào)控的聚合物模型為仿生提供了全新的研究思路。

最近，黃飛鶴等［60］以二乙胺基修飾的柱芳烴（Pillar［5］arene）與十二烷基磺酸鈉（SDS）構(gòu)建了CO2刺激響應(yīng)的超分子囊泡，如圖14所示。將CO2通入體系中，柱芳烴的二乙胺基質(zhì)子化而帶正電荷，這剛好與SDS親水的負電荷部分相互吸引，同時其疏水的空腔剛好接納SDS的長鏈烷基，兩者協(xié)同作用形成的雙層分子囊泡組裝體在N2的作用下解組裝而使包裹的藥物釋放。作者指出，這種新型的CO2刺激響應(yīng)的自組裝體系在藥物載運與傳感方面具有潛在的應(yīng)用價值，同時對人們更好地理解生物過程大有裨益。

圖14　CO2刺激響應(yīng)的超分子囊泡［60］Fig.14 CO2-responsive supramolecular vesicles［60］

2.2.2ATP ATP作為一種細胞內(nèi)的能量貨幣與細胞內(nèi)至關(guān)重要的生物信號分子，在多種細胞活性中表現(xiàn)出不可替代的作用。ATP已經(jīng)被作為刺激信號用于調(diào)控納米載體的解組裝過程。比如，Aida等［61］通過一種用螺吡喃修飾的桶狀分子伴侶蛋白GroEL與鎂離子的配位作用，構(gòu)筑了一類管狀納米結(jié)構(gòu)（如圖15所示）。受細胞內(nèi)ATP水解所提供的能量影響，分子伴侶蛋白GroEL發(fā)生形變，進而導(dǎo)致管狀納米結(jié)構(gòu)的解組裝而使客體分子釋放。

隨后，該課題組利用ATP與胰蛋白酶Trp對含有功能化胍鹽與硼酸單元的分子膠水的競爭黏附能力，實現(xiàn)了經(jīng)由ATP對胰蛋白酶活性的調(diào)控，并取得了初步的研究成果［62］，如圖16所示。

圖15　基于ATP響應(yīng)的GroEL蛋白生物大分子納米管形變［61］Fig.15 ATP-responsive GroEL protein tubules and their shape transformation［61］

圖16　基于ATP競爭黏附的聚合物復(fù)合體對Trp的活性控制［62］Fig.16 ATP competitive-based polymer complexes for controlling Trp activity［62］

Gu等［63］利用ATP響應(yīng)性的適配體DNA與其互補的鏈段作為載體包裹阿霉素（DOX），實現(xiàn)了在ATP刺激下藥物的釋放，如圖17所示。

近期我們首次利用ATP作為刺激源，成功調(diào)控了其對合成聚合物的組裝行為［64］。受天然ATP結(jié)合蛋白結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們設(shè)計了仿生ATP識別單元（如圖18所示），利用腺嘌呤-環(huán)糊精的主客體相互作用與三磷酸鹽-胍的氫鍵的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)了對ATP分子的特異響應(yīng)性，并抑制了胞內(nèi)ATP相似物（如二磷酸腺苷ADP，單磷酸腺苷AMP，三磷酸胞苷CTP，三磷酸鳥苷GTP等）的干擾。通過對ATP的捕獲，聚合物可以與之形成雜交復(fù)合物，我們可以通過調(diào)控ATP的刺激水平而調(diào)節(jié)雜交復(fù)合物中親疏水鏈段比例的新平衡，從而準確控制預(yù)期的自組裝結(jié)構(gòu)的形貌、維度與變形行為。我們希望這種生物刺激響應(yīng)的聚合物模型可以用于構(gòu)建智能仿生組裝，模擬細胞與細胞器的運動。

黃飛鶴等［65］近期制備了基于柱芳烴的大分子納米膠束，通過對ATP水解的抑制，有效地提高了抗癌藥物的藥效（如圖19所示）。其機制在于：末端修飾葉酸（FA）的兩嵌段共聚物聚乙二醇-b-聚丙烯酸（FAPEG-b-PAA）與正離子型水溶性柱芳烴（WP6）形成聚離子型膠束后將WP6載入細胞，WP6可以對ATP特異性結(jié)合（化學(xué)計量比1∶1）而生成穩(wěn)定的WP6復(fù)合物，從而導(dǎo)致ATP水解受阻，使癌細胞中的ATP依賴的多耐藥性（MDR）受到抑制，細胞內(nèi)藥物蓄積增加。這項研究表明，人們可以通過利用超分子化學(xué)設(shè)計理想的載運體用于克服癌癥治療過程中的多耐藥性，這也為發(fā)展新型的診療試劑提供了新的思路。

圖17　基于ATP響應(yīng)的適配體DNA載藥模型［63］Fig.17 ATP-responsive DNA aptamers and drug delivery［63］

圖18　ATP分子特異性驅(qū)動的大分子組裝體形態(tài)轉(zhuǎn)變行為［64］Fig.18 ATP specific-responsive polymer assemblies deformation［64］

圖19　WP6抑制ATP水解［65］Fig.19 WP6-based polymer micelles for ATP hydrolysis inhibition［65］

2.3 生物活性分子

2.3.1葡萄糖 糖尿病已經(jīng)成為一種影響全球公共衛(wèi)生事業(yè)的疾病，其主要表現(xiàn)為血液中葡萄糖濃度的累積，因此，人們發(fā)展了一系列葡萄糖響應(yīng)的聚合物載藥（胰島素）體系以用于糖尿病的治療。在多種葡萄糖響應(yīng)體系中，最受關(guān)注的就是以硼酸及其衍生物為主體的一類聚合物，其原因在于：（1）硼酸及其衍生物便于引入到不同的設(shè)計體系中，并且要比基于蛋白質(zhì)（葡萄糖氧化酶與伴刀豆球蛋白A）的大分子體系穩(wěn)定性更高［66］；（2）通過不同分子的加入，相應(yīng)的聚合物組裝體更加便于修飾與功能化［67-69］，并使得預(yù)裝載的蛋白質(zhì)藥物免受外部環(huán)境的破壞［70］。比如，Li等［71］通過可逆加減-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合分別得到含有苯硼酸與吡喃葡萄糖鏈段的兩親性嵌段與隨機共聚物，這兩種共聚物均可自組裝形成穩(wěn)定的窄分布球形納米粒子并作為藥物載體包裹胰島素（如圖20所示）。作者發(fā)現(xiàn)與嵌段共聚物納米粒子相比，隨機共聚物納米粒子在葡萄糖刺激下，胰島素的釋放具有更快的速率與更多的累積量，而糖鏈段的引入使得苯硼酸單元的生物兼容性提高，確保共聚物可以在生物醫(yī)藥領(lǐng)域得以應(yīng)用。

圖20　基于葡萄糖刺激響應(yīng)的聚合物載藥體系［71］Fig.20 Glucose-responsive polymer nanocarriers for drug release［71］

Kim等［72］以PEO為親水鏈段，含苯硼酸衍生物的鏈段為疏水鏈段，構(gòu)建了可以對單糖（包括葡萄糖）在中性p H條件下進行刺激響應(yīng)的聚合物解組裝體系。如圖21所示，由于硼酸單元與單糖中鄰二醇之間特異性的結(jié)合作用，聚合物組裝體解組裝，封裝在聚合物囊泡中的胰島素得以釋放。上述體系有望在葡萄糖相關(guān)的疾?。ū热缣悄虿。┑闹委熤凶鳛閭鞲刑结樑c載藥體系得到有效的利用。

圖21　基于單糖刺激響應(yīng)的聚合物載藥體系［72］Fig.21 Monosaccharide-responsive polymer nanocarriers and drug release［72］

2.3.2生物硫醇 有研究表明谷胱甘肽（GSH）與氧化谷胱甘肽（GSSG）是動物細胞中最為豐富的氧化還原對。在細胞質(zhì)與核酸中GSH的濃度在谷胱甘肽還原酶的作用下達到10 mmol/L，而在細胞外其濃度為2～20 mmol/L［73］。小鼠活體研究表明，腫瘤組織中GSH的濃度至少是正常組織的4倍［74］，因此，利用該差異構(gòu)建GSH刺激響應(yīng)的載藥系統(tǒng)就變得十分重要。Zhong等［75］以二硫鍵修飾的PEG為親水鏈段，以含有p H響應(yīng)的縮醛單元的季戊四醇碳酸酯為疏水鏈段，開發(fā)了一類氧化還原與p H雙響應(yīng)的可生物降解的聚乙二醇-聚（2，4，6-三甲氧基苯亞基季戊四醇碳酸酯（PEG-SS-PTMBPEC）載藥體系（如22圖所示）。由PEG-SS-PTMBPEC形成的膠束粒子的平均尺寸為140 nm，該膠束可以包覆DOX，包覆的質(zhì)量分數(shù)可以達到11.3%。作者證實，在生理環(huán)境下包覆DOX的聚合物膠束21 h內(nèi)可將24.5%的DOX釋放；而在p H= 5.0或10 mmol/L GSH（p H 7.4）的條件下，DOX的釋放在相同時間內(nèi)可分別達到62.8%與74.3%；在p H=5.0與10 mmol/L GSH的條件下，在10 h內(nèi)可以將94.2%的DOX釋放。MTT實驗結(jié)果表明，該膠束對He La/RAW細胞的IC50值分別可達到0.75μg/m L與0.60μg/m L。

圖22　基于GSH與pH雙刺激響應(yīng)的聚合物載藥體系［75］Fig.22 GSH and p H dual responsive polymer nanocarriers and drug release［75］

2.4反應(yīng)活性物種

相比于還原性刺激響應(yīng)的解組裝體系，對氧化劑刺激響應(yīng)的聚合物組裝體研究比較少，但是這一類組裝體卻非常適用于抗原遞呈細胞（APCs）的抗原輸運［76］，其原因在于抗原遞呈細胞（如樹突細胞）核內(nèi)體中高度的氧化環(huán)境（高H2O2濃度），由此Frechet等［77］將生物兼容性優(yōu)良的葡聚糖用芳基硼酸酯加以修飾后得到相應(yīng)的載體微球（如圖23所示），構(gòu)建了對H2O2刺激響應(yīng)的解組裝體系（Oxi-DEX）。作者證實在1 mmol/L的H2O2刺激下，這些微球?qū)︻A(yù)裝載藥物釋放的半衰期為36 min，而在沒有H2O2的刺激時其半衰期大于1周。在隨后的疫苗模型試驗中，他們證實裝載有卵清蛋白（OVA）的Oxi-DEX粒子對CD8+T細胞的表達是同樣裝載有OVA非氧化刺激響應(yīng)性粒子的27倍。

圖23　基于H2O2刺激響應(yīng)的聚合物載藥體系［77］Fig.23 H2O2-responsive polymer nanocarriers and drug release［77］

許華平等［78］利用含有二硒鍵的嵌段共聚物，構(gòu)建了氧化還原物種的刺激響應(yīng)模式（如圖24所示）。作者設(shè)計并合成了一種含有二硒鍵的新型聚氨酯（PUSeSe）為疏水鏈段，并在其兩端接枝PEG為親水鏈段，得到ABA型嵌段共聚物PEG-PUSeSe-PEG。后續(xù)的試驗結(jié)果表明，PEG-PUSeSe-PEG在水相中可以自組裝成非常穩(wěn)定的膠束結(jié)構(gòu)并包裹模型藥物羅丹明B，同時該膠束對氧化還原刺激表現(xiàn)出優(yōu)良的敏感度。在低濃度的過氧化氫（H2O2）或者谷胱甘肽（GSH）的作用下，聚合物鏈段中的二硒鍵斷裂（生成硒酸或者硒醇），膠束結(jié)構(gòu)崩塌，被膠束包裹的羅丹明B釋放。這種多響應(yīng)性的嵌段共聚物聚集體有望作為可控的藥物輸運體系，應(yīng)用于化療與放療領(lǐng)域。

圖24　對氧化還原物種刺激響應(yīng)的二硒鍵嵌段共聚物體系［78］Fig.24 Redox dual-responsive assemblies formed from diselenide block copolymer［78］

隨后，該課題組［79］在上述實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了基于單線態(tài)氧（1O2）刺激響應(yīng)的聚合物解組裝體系（如圖25所示）。作者在PEG-PUSeSe-PEG組裝膠束中加入一種卟啉類光敏劑，在600～780 nm紅光的照射下，體系中產(chǎn)生的單線態(tài)氧可以將二硒鍵氧化，從而導(dǎo)致膠束組裝體解離，被包裹的Dox釋放。

圖25 對單線態(tài)氧（1O2）刺激響應(yīng)的聚合物解組裝體系［79］

Fig.25 Singlet oxygen（1O2）-responsive polymer assemblies［79］

3　結(jié)論與展望

針對傳統(tǒng)刺激源響應(yīng)的聚合物系統(tǒng)逐漸難以滿足人們的特定胞內(nèi)應(yīng)用需求，因此，直接利用生物體細胞內(nèi)已存在的相關(guān)物種作為刺激源，將會是刺激響應(yīng)型聚合物自組裝的一個重要發(fā)展方向，其優(yōu)點在于原位刺激源的利用不會造成“附帶”污染以及細胞損傷，同時還可以大大提高刺激響應(yīng)的能力?，F(xiàn)階段人們已經(jīng)相繼開發(fā)出多種生物刺激源響應(yīng)的聚合物自組裝體系，包括生物大分子型的酶、DNA，小分子型的生物信號分子（NO，H2S），代謝物（ATP，CO2），生物活性分子（糖，生物硫醇）以及反應(yīng)活性種（過氧化氫，單線態(tài)氧）等，這些研究大大推動了刺激響應(yīng)聚合物自組裝領(lǐng)域的發(fā)展，而對刺激響應(yīng)性聚合物的應(yīng)用使得聚合物科學(xué)與生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系更加緊密，從而為刺激響應(yīng)性聚合物領(lǐng)域開拓出里程碑式的發(fā)展道路。需要指出的是，有很多生物相關(guān)物種雖然已經(jīng)被證明對于生物體至關(guān)重要，但人們至今仍未開發(fā)出有效的策略對其進行檢測與應(yīng)用，比如一氧化碳（CO）、激素、各類維生素等。因此，人們在繼續(xù)完善已有生物刺激源自組裝體系的同時，也需要致力于對上述生物相關(guān)物種的刺激響應(yīng)性大分子自組裝體系的設(shè)計與開發(fā)。

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Biological Stimuli-Responsive Polymers and Their Controllable Self-Assembly

ZHANG Jian， MA Ming-xuan， YAN Qiang
（State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers，Department of Macromolecular Science，F(xiàn)udan University，Shanghai 200433，China）

Biological stimuli-responsive polymer self-assembly systems are crucial to the development of smart macromolecules.This review summarizes the research status on the polymer assemblies that can respond to the biomacromolecular-type and small-molecular-type stimulants.Furthermore，according to the difference of stimulation categories，the great progress of this filed is introduced and the valuable perspective of bioresponsive polymers is propsed.

biological stimulus；responsive polymers；controllable self-assembly

O63

A

1008-9357（2016）02-0115-019DOI： 10.14133/j.cnki.1008-9357.2016.02.001

2016-05-12

中組部青年千人計劃項目（KHH17171002）

張 建（1987-），男，山西晉中人，博士，研究方向為智能聚合物的設(shè)計與功能應(yīng)用。E-mail：zhangjian507@fudan.edu.cn

閆 強（1985-），男，博士，教授，博導(dǎo)，2014年入選中組部第6批青年千人計劃，研究方向為刺激響應(yīng)性聚合物的設(shè)計與功能開發(fā)、智能大分子納米器件與仿生細胞。E-mail：yanq@fudan.edu.cn