ACS Nano | 聚合物納米顆粒生物響應的機理研究

聚合物納米顆粒在診療一體化和納米藥物應用中顯示出巨大的潛力。但是由于非特異性生物分子吸附、非特異性細胞攝取、過短的體內循環時間等因素的影響，這些納米顆粒常常無法實現其設計的功能。多年來，研究人員通過控制納米顆粒的物理化學參數(包括大小、形狀、形態、表面電荷、親水性、彈性、表面化學等)來克服這些障礙并提高聚合物納米顆粒的性能。但迄今為止，鮮有基于一個納米顆粒系統同時在分子、細胞和生物體層面上的納米顆粒生物響應性的研究。

近日新加坡國立大學劉斌課題組在ACS Nano上發表了其關于聚合物納米顆粒生物響應的機理研究。該課題組對聚合物納米顆粒與胞質蛋白、上皮細胞和斑馬魚中的相互作用與生物學行為進行了表征?；谙嚓P結果，課題組提出一個合理的框架來開發具有優化性能的聚合物納米顆粒，以同時在分子、細胞和生物體水平上實現所需的功能。

圖1.包裹AIE分子的不同的聚合物納米顆粒與三種主要的血漿蛋白的相互作用表征

該課題組使用三種不同的聚合物(聚苯乙烯PS、聚乳酸-羥基乙酸PLGA和脂質PEG衍生物DSPE-mPEG)，以上聚合物重慶渝偲醫藥科技有限公司均有提供。包覆熒光AIE分子BTPEBT，制備得到三種直徑約60 - 80 nm的納米顆粒，并研究了納米顆粒與三種主要的血漿蛋白(白蛋白、球蛋白和纖維蛋白原)的相互作用(圖1)。結果表明隨著時間增長，AIE-PS和AIE-PLGA的納米顆粒與血漿蛋白產生了較強的相互作用，其流體力學直徑有數倍的增加，而DSPE-mPEG納米顆粒沒有觀察到其直徑變化，這表明DSPE-PEG作為納米顆粒載體時擁有最弱的納米顆粒-蛋白相互作用(圖2)。

圖2.不同表面官能團的AIE-DSPE-PEG納米顆粒與三種血漿蛋白的相互作用表征

在發現AIE-DSPE-mPEG對血漿蛋白的惰性后，該課題組制備了兩種尺寸(20 nm NP-1, 60 nm NP-2)、三種表面官能團(羧基-COOH、甲氧基-OCH3、氨基-NH2)共計六種納米顆粒(圖3)。表征結果，對于60 nm的納米顆粒，只有球蛋白引起了NP-COOH-2粒徑的略微增長；NP-OCH3-2與三種蛋白作用均無變化；而NP-NH2-2與三種蛋白作用均有較大的尺寸增加。有趣的是，在血漿蛋白存在下，所有NP-1的大小都不會隨時間變化，這表明血漿蛋白沒有吸附在20 nm聚合物納米載體表面。

圖3.不同納米顆粒在人臍靜脈內皮細胞(HUVEC)的細胞攝取與細胞毒性表征

圖4.斑馬魚體內聚合物納米顆粒的體內循環和生物分布

隨后課題組研究了納米顆粒與人臍靜脈內皮細胞(HUVEC)的細胞攝取與細胞毒性。共聚焦顯微鏡成像和流式細胞術結果表明HUVECs更容易攝取較小粒徑的納米顆粒。比較三種表面官能團，zeta電位zui低的NP-COOH的納米顆粒容易被細胞攝取，相反zeta電位較高的NP-NH2較難被細胞攝取。所有納米顆粒均表現出良好的生物相容性。課題組同時研究了不同的納米顆粒在斑馬魚模型中的體內循環和生物分布(圖4)。結果表明聚合物納米顆粒的循環時間和生物分布取決于它們的物理尺寸。較小的納米顆粒擁有更長的體內循環時間。對于特定的納米顆粒尺寸，用COOH官能團修飾的帶負電荷最多的納米顆粒顯示最長的循環時間，而帶負電荷最少的NP-NH2的循環時間最短。

圖5.利用親脂性和Zeta電位的兩步納米載體設計框架示意

根據以上研究，課題組提出了一個兩步設計框架(圖5)，用于制備具有所需的體外和體內生物學行為的聚合物納米顆粒。首先，納米載體設計應盡可能親水，以最da程度地減少非特異性生物分子吸附并保持其性能。接下來，應提供親水納米載體較負的zeta電勢，以增強其細胞攝取和體內循環時間，從而達到更好的成像和治療效果。

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