國家生物醫學材料工程技術研究中心

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國家生物醫學材料工程技術研究中心

編者按:國家生物醫學材料工程技術研究中心(四川大學)顧忠偉課題組的主要研究方向涉及生物醫用高分子、藥物/基因高效傳遞系統、功能納米生物材料與有序組裝等，從可控合成、結構調控、新功能與多功能構筑等方面做了一系列開創性工作。近5年來，在AdvMater,AngewChemIntEd,ACSNano,AdvFunctMater,Biomaterials,JControlRel,Small等國際著名學術期刊上發表論文150余篇，國際及全國學術會議提交報告摘要100余篇；獲授權國家發明專利20余項；編寫及翻譯10余部專著及章節(含英文專著/章節),研究成果得到了國際國內學術界的高度評價。

肽類樹狀大分子的可控合成、選擇性功能化與生物醫學功能構筑

在國際上率先建立了用“點擊化學”可控合成結構精確規整、分子量單一，并由不同氨基酸組成的鏈結構有序排列的高代數(≥5代)肽類樹狀大分子(PD)新技術；建立了以表面含多官能團的無機納米粒(如：八官能團倍半硅氧烷(POSS)、超順磁氧化鐵納米粒(SPIO)、介孔二氧化硅等)為核可控合成PD，以及選擇性多功能化PD的新技術和新方法；為深入開展新一代肽類樹狀大分子生物醫用高分子材料的研究奠定了基礎。主要成果：①成功研發了具有靶向功能的肽類樹狀大分子磁共振(MRI)分子探針，解決了單個PD分子上靶向基團(硫代半乳糖)與顯影基團(Gd-DTPA)精確調控的難題；發現PD的多價特征和納米尺度效應使該系列MRI分子探針顯示出良好的水相弛豫率、成像質量，以及高出臨床試劑～7倍的信號強度，并具有血液長循環特點；揭示了探針的生物學效能與PD外圍官能團分子結構、性質、數量等具有相關性，調控PD外圍功能團可實現低Gd (III)含量下MRI的高效能成像，以及高的水相弛豫率(達臨床試劑的～10倍)。②研發了結構精確的高代數雜化肽類樹狀大分子，發現了肽類樹狀大分子的分子結構、鏈結構及其序列分布與基因轉染效率及生物安全性之間的關系與規律，獲得了數倍于國際金標準聚乙烯亞胺(PEI)的細胞轉染效率的PD非病毒基因載體。③利用特定生物微環境可觸發斷裂的動態化學鍵(腙鍵、肽鍵、配位鍵等)構建了PD外圍的生物活性功能分子，研發了系列基于肽類樹狀大分子的高效能藥物遞送系統；首次發現并確證了酶促分子的肽鍵斷裂位點，實現了高分子偶聯藥物在腫瘤組織的快速及精確控釋，保持了藥物分子結構的完整性并維持其生理活性；生物分布顯示鉑類藥物在腫瘤組織的富集量超過了8%(是文獻報道同類藥物遞送系統的兩倍以上，臨床藥物的25倍)，為解決藥物遞送系統在血液循環中的穩定性與腫瘤組織/細胞內藥物快速釋放(高富集)這一矛盾奠定了科學基礎。

圖1　肽類樹狀大分子納米載藥系統(a)，顯著調高抗腫瘤效果(b)和腫瘤部位高聚集(c)

肽類樹狀大分子可控超分子自組裝及仿生生物醫學功能構筑

于國際上首次發現了特定端基的線型多肽與肽類樹狀大分子能發生“協同自組裝”現象，實現了肽類樹狀大分子聚集態結構的有序調控，建立了低代數PD與聚氨基酸協同自組裝的方法，發現了分子間的弱相互作用形成了α-螺旋、β-折疊、β-轉角等二級結構，并驅動組裝基元形成了具有多層次結構的仿病毒衣殼，揭示了肽類組裝基元的pH感知特性，賦予了肽類樹狀大分子組裝體的細胞微環境響應性，實現了高效的藥物和基因遞送功能。構建了低代數雜化PD在量子點QD表面的光促模板組裝的新方法，發現了生物醫學功能組裝增強的機理，獲得的細胞轉染效率比相應的PD高出5萬倍，而且在體內的基因轉染特別是p53抑癌功能基因的表達也十分顯著，并實現了實時監測與示蹤。發現具有精確結構并富含色氨酸的肽類樹狀大分子能與腫瘤細胞的DNA發生超分子反應而使其凋亡，揭示了三維空間結構、高度支化并富含外圍功能團的PD抑制腫瘤細胞乃至耐藥腫瘤細胞等生物功能倍增效應的機理，開創了治療性肽類樹狀大分子這一新的研究方向。

圖2　治療型肽類樹狀大分子結構式及其抗腫瘤機制(a),肽類樹狀大分子二元協同自組裝策略及仿病毒衣殼組裝體納米結構(b),肽類樹狀大分子自組裝/解組裝機制及其藥物控釋(c)和肽類樹狀大分子光促模板組裝策略及其可示蹤的基因遞送系統(d)

生物降解高分子仿病毒基因遞送系統

受病毒結構和功能的啟發，仿病毒基因遞送系統得到了業界高度的關注。課題組取得的成果如下：①提出了利用著名的特洛伊木馬(Trojan Horse)策略，構建了基于雙硫鍵修飾的透明質酸衍生物仿病毒包膜，克服了基因遞送系統體內循環及靶向的生理屏障，并揭示其規律與作用機理；利用雙硫/雙硒鍵特定生物微環境敏感斷裂，提出了分級解組裝與基因程序化控釋的策略，構建了具有仿病毒衣殼和包膜的基因靶向遞送系統，經靜注后體內基因轉染效率提高了150倍以上，實現了仿病毒基因遞送系統在血液循環中酶解保護、靶向及腫瘤靶組織/細胞的高效表達；成功介導抑癌基因p53抑制腫瘤細胞增殖并促進其凋亡，為研發高效能仿病毒基因靶向遞送系統提出了新的設計理念。②利用特定氨基酸持有的如穿膜、質子海綿等功能，設計構建了基于殼聚糖-氨基酸的仿病毒包膜的基因遞送系統，使多個細胞系的轉染效率提高近千倍，而體內基因表達也超過PEI百余倍，闡明了促進細胞內吞、DNA逃逸與入胞是大幅度提升細胞轉染效率的關鍵緣由。③針對腫瘤組織及細胞內弱酸性以及細胞內谷胱甘肽濃度比循環系統高千余倍的微環境特征，利用腙鍵、雙硫鍵等構建了動態“隱身”功能的仿病毒基因遞送系統，確證了特定細胞微環境能觸發動態化學鍵斷裂而解離PEG并顯著提高基因轉染，為解決利用PEG長循環功能并消除其影響基因轉染之弊端提供了新的設計思路；發現了Schiff-base碳氮雙鍵在弱酸環境斷裂導致DNA復合物的解組裝與DNA釋放，以及咪唑分子介導DNA的內涵體逃逸是提高基因轉染效率的重要因素；為研發隱身可控的仿病毒基因遞送系統研究奠定了基礎。

圖3　可分級解組裝及基因程序化控釋的仿病毒基因遞送系統的組裝、解組裝及DNA程序化釋放(a)，介導抑癌基因p53(b)和報告基因的仿病毒基因遞送系統(c)

生物降解高分子與先進藥物遞送系統

圖4　具有立構復合結構的雙殼-核納米載藥系統(a)，成膠速度快并可逆的水凝膠(b)，具有π-π共軛結構高分子膠束(c)和集腫長循環、瘤微環境敏感和線粒體靶向的多功能脂質體藥物遞送系統(d)

生物降解高分子是構建先進藥物遞送系統的重要基礎。課題組重要研究成果如下：①于國際上率先創建了基于環狀碳酸酯的可控化學交聯聚合的新方法，獲得了一系列具有三維網絡結構的聚碳酸酯聚/共聚物，解決了低分子量(<15萬)聚碳酸酯在生理環境易發生蠕變，而高分子量聚碳酸酯體內降解速率快的關鍵難題；發現了交聯與共聚分子/鏈結構調控降解行為的協同作用，揭示了體內外的降解規律與調控機制，創建了基于聚碳酸酯的恒速釋藥功能；研發了聚合-成型一體化技術，克服了交聯聚合物難于加工成型的關鍵瓶頸；為無酸性降解產物的長效恒速釋藥埋植劑的臨床應用提供了理論基礎與技術支撐。②提出了弱酸環境觸發咪唑基團質子化并溶脹高分子納米載藥系統使藥物快速釋放的策略，設計并構建了以生物降解聚丙交酯為疏水鏈段、聚組氨酸與PEG為親水鏈段的雙殼-核生物觸發式高分子納米載體，建立了精確定量調控其嵌段共聚組成比的方法；發現納米粒尺度在pH由中性降低至聚組氨酸鏈段pKa值時增加近20倍，獲得了弱酸環境觸發的藥物快速釋放，明顯增強了抗腫瘤效果。研究還發現具有不同光學異構體聚丙交酯鏈段的三嵌段共聚物在水相自組裝形成立構復合的雙殼-核納米載體，使其臨界凝聚濃度降低90%，實現了雙殼-核納米載藥系統在體內循環系統中的高穩定性。③提出了基于藥物-載體材料相互作用構建新型高分子載藥膠束的思想，設計合成了一系列具有π-π共軛結構小分子疏水單元以替代傳統高分子膠束中生物降解疏水高分子鏈的新型高分子膠束，系統揭示了疏水單元結構及藥物-載體間的π-π作用對載藥膠束性能的影響規律，獲得了臨界膠束濃度(CMC)比傳統高分子膠束低一個數量級、載藥量高3倍的高穩定性載藥膠束材料。以光動治療中的光敏劑卟啉為疏水單元，構建了集化療和光動治療于一體的具有聯合治療功能的高分子膠束載藥系統，實現了腫瘤高效治療過程中的實時成像。④脂質體是最具臨床使用價值的載藥遞送系統。我們以脂質體的體內長循環及腫瘤細胞器靶向等關鍵問題為切入點，設計構建了具有pH觸發電荷翻轉及靶向細胞線粒體的長循環脂質體；發現了其負電荷表面降低了非特異性蛋白吸附而減少蛋白暈(Protein Corona)，避免了傳統PEG化脂質體重復使用而產生抗體并引發加速血液清除(ABC)的現象，而且由于電荷翻轉還大幅度提高了細胞內吞(>8倍)；實現了線粒體的有效靶向和藥物的高富集，加速了腫瘤耐藥細胞的凋亡，提高了抗腫瘤效果，為克服腫瘤治療中的多藥耐藥(MDR)這一世界性難題提供了科學基礎。

(國家生物醫學材料工程技術研究中心顧忠偉)