催化活性单链聚合物纳米粒子：探索其在复杂生物媒体中的功能

【引言】

动态单链聚合物纳米粒子（SCPNs）是引人注目的生物感应结构，由单个聚合物链折叠或折叠成纳米尺寸的粒子而形成。本文提供了一个详细的关于动态SCPN在活细胞中行为的生物物理学研究以及在这种复杂介质中对其催化功能的评估。研究人员首先制定了许多交付实验，允许SCPNs在不同的细胞区室选择性定位。活/死实验表明SCPN对细胞没有毒性，而光谱成像显示SCPNs提供的结构可以屏蔽并减少来自外部生物介质的影响。 SCPNs作为生物介质催化剂的能力首先通过调查其活性氧产生的潜力来评估。随着卟啉与SCPN共价连接，用光照射产生单线态氧，诱导空间控制的细胞死亡。此外，还制备了Cu（I） - 和Pd（II）- 基SCPNs，并对这些催化剂进行了体外筛选，并在细胞环境中研究了罗丹明基底物的氨基甲酸酯裂解反应。这是用于解除生物活性化合物例如细胞毒性药物用于基于催化的癌症治疗的模型反应。可以观察到，脱保护速率取决于有机金属催化剂和保护基团的性质。从体外到生物环境的速率降低，表明生物分子对催化剂性能的强烈影响。基于Cu（I）的SCPN与二甲基炔丙氧基羰基保护基组合在体外和生物环境中表现出最好的性能，使得该组在生物医学应用中有前景。

【成果简介】

近日，埃因霍芬理工大学的 Anja R. A. Palmans 和加泰罗尼亚生物研究所的Lorenzo Albertazzi在Journal of the American Chemical Society上发表了一篇题为“Catalytically Active Single-Chain Polymeric Nanoparticles: Exploring Their Functions in Complex Biological Media”的文章。该文介绍了SCPN在活细胞中行为的生物物理学研究，以及他们在复杂生物环境中催化性能的评估。SCPN包含用（i）水溶性侧链（DP = 22的低聚 - （氧化乙烯 - 共 - 氧化丙烯））官能化的基于聚丙烯酰胺的骨架确保水溶性; （ii）苯-1,3,5-三甲酰胺（BTA）超分子部分以引发氢键诱导的聚合物折叠和（iii）催化活性位点。首先评估和优化递送策略，以针对不同的区室：细胞内空间，细胞质或胞质溶质体室和细胞外空间。这使研究人员能够根据所需的应用选择交付策略。接下来，评估了两种在细胞环境中进行的活动，实验结果很有前景，为生物医学应用的体内催化铺平了道路。此外，关于活细胞中SCPN行为的生物物理学研究提供了关键信息，并将使得能够合理设计改进的用于基于催化疗法的纳米系统。

【图文导读】

图1 SCPNs设计图

（A）聚合物催化剂的一般结构，其折叠成SCPN及其细胞递送；

（B）本研究中使用的水溶性侧链，基于BTA的折叠模体，催化剂和底物的化学结构。

图2 Hela细胞的共聚焦成像使用不同的方法来进行基于P1的SCPN递送

（A）通过以高浓度（2.5 mg·mL^-1）在培养基中通过胞吞作用和随后的P₁的溶酶体定位施用细胞内化24小时；

（B）通过电穿孔细胞内递送和随后P1的胞质定位；

（C）通过向培养基中施用P₁ 1.0mg/mL处理3小时后进行细胞外定位。

图3 用活/死实验测定P₁的毒性

（A）在SCPN内化后HeLa细胞的细胞存活力；

（B）未处理细胞的存活力作为对照；

（C）电穿孔区域的成像；

（D）取决于与电极的距离的细胞生存力的空间分布。 

图4 在用不同浓度的基于P₃的SCPN温育24小时后HeLa细胞中单线态氧的光生成

（A）用不同浓度的P3处理的HeLa细胞的共焦成像显示浓度依赖性摄取；

（B）活/死的共焦成像，对用P1（左）和P3（右）处理的HeLa细胞进行测定；

（C）在不同聚合物浓度和30和150 s的UV照射时间下细胞活力的定量；

（D）不同聚合物浓度的相应共焦活/死测定。 比例尺= 50μm。

图5 在存在HeLa细胞的情况下SCPN基催化剂对受保护的罗丹胺进行脱保护反应的结果

（A）本研究中使用的基材S1-S4的化学结构；

（B，C）S2（B）和S1（C）与基于P2 Cu（I）和P1 Pd（II）的SCPN的脱保护反应的动力学曲线在存在细胞培养基和HeLa 细胞；

（D）直方图总结，不同催化剂、底物和对照反应2小时后MC-Rh 110的荧光强度。

图6 在复杂介质中使用SCPN进行48小时的脱保护反应动力学

（A，B）在全细胞培养基（DMEM + 10％血清）中，在有或没有HeLa细胞的情况下，S₂（B）的S₁（A）和P1 @ Pd（II）的P2 Cu（I）催化脱炔二化反应；

 （C，D）SCPN与金属或仅与金属复合，与底物一起孵育的HeLa细胞的成像。

【小结】

在这项工作中，研究人员展示了生物环境中动态单链催化聚合物纳米颗粒活性的生物物理学研究结果。SCPNs甚至包含过渡金属基催化剂的那些都表现出优异的生物相容性，并且不显示对细胞的显着毒性。此外，有证据表明，动态SCPN为催化物种创造了一个相当稳定的环境。研究了两种评估在复杂生物介质中使用SCPN的可行性的策略。当通过内吞作用将卟啉基SCPN引入细胞时，用光照射成功产生单线态氧并促进光致局部毒性。这使得这些SCPN对未来在光动力疗法中的应用非常有趣。此外，装载Pd（II）和Cu（I）的金属基SCPN在细胞外空间中显示出有效的脱保护的罗丹明保护作用。由于SCPN在合成生物学和治疗性生物材料领域的潜在应用，能够在活细胞中发挥其功能的催化系统的发展一直是近来关注的主题。然而，这种结构的合理设计是一个巨大的化学挑战，主要是由于缺乏对复杂生物环境中催化体系行为的了解，因此缺乏对其结构 - 活性关系的了解。因此，本文介绍的生物物理学研究揭示了SCPN在细胞环境中的行为，为合理设计能够在体内进行有效催化的纳米系统铺平了道路。

文献链接：Catalytically Active Single-Chain Polymeric Nanoparticles: Exploring Their Functions in Complex Biological Media（J. Am. Chem. Soc.，2018，DOI:10.1021/jacs.8b00122）

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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