南开大学刘育Adv. Mater. 综述:多刺激响应环糊精超分子组装体

【背景介绍】

环糊精（CDs）是从淀粉的酶促降解中提取的一类环状低聚糖，源于1891年Antoine Villiers在碳水化合物发酵后的降解物中偶然的发现。环糊精作为α-1,4-糖苷键连接的截锥状大环寡糖家族中的一员，根据D葡萄糖单元的数量，人们将天然环糊精分类为α，β和γ环糊精，这些环糊精现在均可以通过大规模工业生产获得。在过去的120年发展过程中，环糊精被应用于几乎所有的工业领域中。与此同时，在学术领域，由于它们在水溶液和固体状态下对各种有机和生物活性底物具有优异的分子结合能力，因此基于环糊精的分子识别和组装在过去几十年中已经成为超分子化学中关注的焦点。此外，环糊精的自组装还衍生出许多其他具有独特拓扑结构的微纳米结构，如索烃、（准）轮烷、超分子聚合物、交联水凝胶和网状物、功能化纳米颗粒等，这极大地扩展了超分子化学的研究目标。
刺激响应型纳米材料可以适应微环境变化并以动态方式响应，从从而提供了一种有效的方法来模拟自然和生理过程的反应。该策略可以进一步使我们能够制造出智能医学和仿生纳米材料。此外，选择在生物系统中起作用的理想刺激响应模型需要考虑一些因素，如生物相容性、预期作用位点和生物安全问题。从这些因素来考虑的话，生物相容性好且降解后降解物能被人体吸收的环糊精单元被认为是构建响应刺激的超分子组装体最为理想的组成部分之一，同时由于其基于非共价相互作用的动力学和可逆性质，环糊精单元在客体分子的结合上表现出良好的尺寸/形状匹配能力。因此，通过环糊精刺激响应型超分子纳米体系构建智能生物功能材料大有可为。

【成果简介】

最近，Adv. Mater.在线刊登了南开大学张瀛溟副教授、博士生刘耀华以及刘育教授总结的关于多刺激响应的环糊精超分子组装体研究进展的综述。题目是“Cyclodextrin-Based Multistimuli-Responsive Supramolecular Assemblies and Their Biological Functions”。在这篇综述中，作者介绍了该课题组以及国内外相关基于环糊精的刺激响应型超分子纳米组装体的最新进展，讨论了基于环糊精的智能生物功能材料制备的前景以及所面临的挑战，提出了作者的一些见解和建议，并期望这些纳米材料能在生物医学领域更好地转化和发展。

【图文解读】

1、引言

图一、几种典型的基于CD的超分子组装体系
（a） α，β和γ环糊精的分子结构（n代表D-葡萄糖单元的数目）；

（b） 索烃；

（c） 功能化纳米粒子；

（d） 超分子聚合物；

（e） 水凝胶；

（f） 轮烷；

（g）交联网络结构。

2、pH响应型超分子组装

细胞间室、体液和器官都有其特有的pH并能维持其酸碱平衡，这使得我们能够构建pH敏感的超分子组件来精确定位于作用位点。

2.1、pH敏感链接

顺式乌头基、腙基、肟基、缩醛基、酮基以及组氨酸和咪唑基等许多酸不稳定的取代基被广泛应用于构建pH敏感纳米体系。

图二、基于环糊精的pH响应型超分子组装
（a） I）通过将α-环糊精接入PEG化的多磷酸酯-多柔比星前药上的超分子凝胶化。II）超分子水凝胶的SEM图像。III）在不同pH值下纳米粒子的释药曲线；

（b） I）由β环糊精接枝的透明质酸（HACD）和可水解的金刚烷形成的超分子纳米粒子。II）超分子纳米粒子的TEM图像。III）在金刚烷客体的酯解作用前（条带1和3）和后（条带2和4），金刚烷基客体（条带1和2）和二元超分子纳米粒子（条带3和4）控制pDNA的结合及释放；

（c） I）负载ICG的和β-环糊精封端的二氧化硅-金杂化纳米棒，通过静电相互作用非共价地修饰线粒体靶向肽和电荷可逆的PEG化壳聚糖。II）多组分纳米棒的TEM图像。III）纳米组件在不同时间和pH值下的Zeta电位变化，表明其在酸性条件下pH调控的电荷反转。IV）处理21天后的肿瘤重量。

2.2、可质子化位点

在环糊精骨架中引入可质子化氮原子是实现pH敏感纳米组装体的另一种可行策略。

图三、基于环糊精的pH响应型超分子组装
（a） I）被β环糊精-修饰的CuS纳米粒子包覆的苯并咪唑接枝的介孔二氧化硅纳米粒子。II）超分子纳米粒子的TEM图像。III）在不同pH值下多组分纳米粒子的释药曲线；

（b） I）由N，N-二异丙基乙二胺改性的β环糊精和聚乙二醇化金刚烷形成的用于递送琥珀酰胆碱的超分子纳米粒子。II）在不同pH值缓冲溶液中琥珀酰胆碱的体外释放曲线。III）用盐水，游离琥珀酰胆碱和载药超分子纳米粒子处理后肺转移性乳腺癌模型的体内生物成像，显示出超分子纳米粒子对乳腺癌肺转移的增强的治疗效果。

2.3、通过pKa调控优化基于环糊精的具有生物活性组装体

酸度常数（pKa）可以直接反映溶液的质子化状态，化学基团的特定结构-活性关系很大程度上取决于其质子化状态。

图四、通过pKa调控基于环糊精的具有生物活性组装体
（a） I）酪胺修饰的β环糊精的分子结构及其与脱氧胆酸（DCA）的结合模式。II）DCA，酪胺修饰的β环糊精和包合复合物与HT-29细胞一起孵育48小时后的细胞毒性。注射DCA，酪胺修饰的β环糊精和包合物后，静脉注射后III）血液和IV)尿液中总胆酸浓度，表明有细胞毒性的DCA可通过尿液排泄从小鼠血液中快速除去；

（b） I）含HACD，葫芦[6]脲（CB [6]）和金刚烷衍生物（ADA）的超分子siRNA复合物。I-III）癌细胞（PC-3）和IV-VI）正常细胞（NIH3T3）与II，V）含6-羧基-荧光素氨基磷酸酯标记的siRNA培养基，III，VI）ADA⊂ HACD复合物，或IV，VII）（CB [6]⊂ADA）⊂HACD组装体共孵育的荧光显微镜图像，表明由IV）HACD修饰和葫芦 [6] 脲协同的pKa移位诱导的癌细胞中siRNA的靶向和内化增强。

3、基于氧化还原响应型环糊精超分子组装

在细胞内外环境中广泛分布着不同的电荷电势和氧化还原态，研究具有氧化还原敏感基团的生物相容性纳米结构以促进对特定部位的刺激响应是有意义的。

3.1、二硫键链接

图五、基于环糊精的含二硫键连接的氧化还原响应型纳米组装体
（a） I）由苝二酰亚胺（PDI）和RGD肽封端的基于β环糊精的聚轮烷及其二次组装过程形成超分子纳米粒子。II）来自交联（SCNP）和非交联（NP）纳米粒子的PTX在不同条件下的控释曲线，显示出组装体GSH响应和激光触发的药物释放；

（b） I）CPT修饰的基于β环糊精超分子终止的含有靶向功能和显影剂的聚合物及其二次组装过程形成超分子纳米粒子。II）涉及GSH触发的级联反应的药物释放机制。III）含有和不含有GSH的可打断（SNP）和不可打断（SCNP）纳米粒子的CPT的控释曲线。

3.2、二茂铁基

图六、含二茂铁基的基于环糊精的氧化还原响应型纳米组装体
（a） I）经二茂铁修饰β环糊精自聚合的pDNA缩合。II）交替添加GSH和H₂O₂时水动力学直径的可逆变化；III）加入H₂O₂前后，不同N / P比的pDNA琼脂糖凝胶电泳延迟，表明H₂O₂触发pDNA的释放；

（b） I）通过包合含有二硫键连接的CPT和二茂铁的PEG化β环糊精，络合形成超分子胶束；II）超分子胶束在不同GSH浓度下的CPT释放曲线；III）超分子胶束在不同H2O2浓度下的CPT释放曲线。

4、基于环糊精的酶响应型超分子组装

一方面，环糊精作为一种淀粉酶解产物用于多种实际用途，与环糊精糖基转移酶关系密切；另一方面，环糊精固有的疏水性空腔长期以来一直被用作模仿天然酶的基质结合囊的理想模型。

图七、基于环糊精的酶响应型超分子组装
（a） I）β环糊精诱导分解和α-淀粉酶触发的萘桥联双吡啶盐重组；II）在α-淀粉酶存在下萘基团的荧光猝灭；III）荧光-时间曲线的初始斜率与α-淀粉酶浓度之间的线性相关性；

（b） I）负载氯虫苯甲酰胺和α环糊精封端的中空介孔硅纳米粒子和外加α-淀粉酶的快速释药；II）α-淀粉酶对累积释放速率的影响；III）装载农药的超分子纳米粒子和商业配方在不同采摘时间的模型昆虫上的生物活性调查结果，表明实验组中有着更高的杀虫效率。

5、光响应型超分子组装

由于光作刺激为一种非侵袭性和环保的响应方式，光响应超分子组装体在治疗许多危及生命的疾病和中毒方面有着良好的前景。

5.1、偶氮化合物

图八、基于偶氮化合物的环糊精超分子组装
（a）具有不同类型的环糊精的三种典型偶氮苯客体。I）α环糊精和偶氮的；II）β环糊精与羧化AAP；III）和γ环糊精与四邻异丙氧基取代的偶氮苯（ipAzo）；

（b） I）通过β环糊精修饰的细胞和聚乙二醇化的偶氮苯之间的可逆光异构化，光控细胞-细胞接触；II）在紫外照射前后，β-CD修饰的细胞流式术分析，显示散点图右上象限中细胞间的可逆聚集；

（c） I）用Pd嵌入的二氧化硅纳米粒子，偶氮苯基作为杆和β-CD作为封端剂制备的光响应型生物正交催化剂；II）紫外光活化下，在细胞中由超分子纳米粒子催化的Suzuki-Miyaura偶联反应；III-V）分别用交叉偶联产物（绿色通道），MitoTracker Red CMXRos（红色通道）和Hoechst 33258（蓝色通道）对HeLa细胞进行染色；

（d） I）含偶氮苯的锆金属-有机骨架的制备及其通过β环糊精与偶氮苯基的可逆地光异构结合，来捕获和释放罗丹明B；II）紫外光照射和金刚烷胺作为竞争客体引发的荧光染料的逐步释放。

图九、含偶氮化合物的环糊精超分子组装体
（a） 通过偶氮苯-桥联双（β环糊精）和金刚烷修饰的苯丙氨酸二肽之间的超分子组装成纳米片-纳米管的相互转化；

（b） I）β环糊精修饰的金纳米粒子；II）两亲性β环糊精纳米粒子与反式和顺式-AAP的可逆聚集和分散；

（c） I）通过PTX修饰的β环糊精和AAP光控聚集微管；II）A549细胞中主-客体复合物对聚集微管的共定位。4'，6-二脒基-2-苯基吲哚二盐酸盐水合物（DAPI），异硫氰酸荧光素（FITC）和含金刚烷的罗丹明B（RhB-ADA）分别用于细胞核，微管和β环糊精染色。

5.2、二芳基乙烯

图十、基于环糊精的光响应型超分子组装
（a） I）基于全氟环戊烯二芳基乙烯的光致变色反应；II）由两亲性卟啉，花菁染料和二芳基乙烯桥联双（甲基）环糊精形成的三元球形纳米粒子；III）三元组装体在254 nm紫外光照射下的荧光猝灭；IV）在紫外和可见光的交替照射下，三元组装体在680 nm处的荧光发射光谱和强度变化；

（b） I）光酸化部花青的光致变色反应；II）由β环糊精和Zn²⁺配位的4,4'-联吡啶形成的聚轮烷及其在水溶液中由光酸化部花青引发的可逆自组装；

（c） I）CPT和萘二甲酰亚胺（Nap-CPT-Ad）修饰的金刚烷衍生物与HACD络合形成负载NIR荧光染料的超分子纳米粒子；II）在激光照射不同时间后，生理盐水（对照）和负载染料的纳米粒子，肿瘤照射区的最大温度曲线；III）在激光照射不同时间后，生理盐水（对照）和负载染料的纳米粒子处理的荷瘤小鼠的红外热图像；

（d） I）由上转换材料为核层，含亚甲基蓝的二氧化硅为夹心壳层，负载罗丹明B的β环糊精封端的介孔二氧化硅壳层组成的核-壳-壳纳米粒子；II）超分子纳米粒子在980 nm，不同功率密度连续NIR照射下的释放曲线。

5.3、其他类型的基于环糊精的光响应型纳米组装体

6、基于环糊精的磁响应型超分子组装

图十一、基于环糊精的磁响应型超分子组装
（a） 含线粒体靶向肽修饰的磁性纳米粒子（MitP-MNP）的HACD交联形成的二元超分子纳米纤维；

（b） 沿地磁场方向生长的MitP-MNP⊂HACD纳米纤维的共聚焦显微镜图像；

（c） Matrigel侵袭模型中的肿瘤细胞侵袭示意图，表明由MitP-MNP⊂HACD纳米纤维诱导的抑制作用增强；

（d） MitP-MNP⊂HACD纳米纤维对A549细胞转移的体内抑制。

7、总结与展望

在这篇综述中，作者总结了最近几年中基于环糊精的刺激响应型超分子组装的研究进展，并选择一些具有代表性的例子并介绍了它们的相关生物学功能。这些超分子材料的潜在生物学应用已经从生物传感、药物递送释放、细胞内/细胞间信号传导到疾病的诊断和治疗等方面得到了广泛的应用。作者认为尽管该领域目前取得了显著的进展，但要掌握结构-活性关系并促进其实际应用仍需要大量的努力，作者认为以下几点是需要重点关注的问题。

i） 除了主要的单和多取代的β环糊精之外，在扩展其他类型的环糊精的使用方面仍存在巨大的挑战，并且用于区域选择性修饰CD骨架的方法的数量相当有限。

ii） 单价的环糊精-药物体系溶解和递送不符合个性化精准医学的高标准。此外，涉及修饰环糊精的高度受控的分子识别（如金刚烷和偶氮苯客体分子）尚未完全用于生物医学应用。

iii） 基于环糊精的超分子组装体的生物学功能研究局限在抗癌上，而国内外对心脑血管疾病等其他急慢性病的治疗研究相对较少。

iv） 一些目前可用的超分子纳米结构在材料和成本方面存在过度设计和浪费，迫切需要简化和优化基于环糊精的生物功能纳米结构组成。

v） 在这些刺激响应型组装体中，氧化还原和pH值的变化通常会在体内产生化学废料，因此光、磁等其他远程和非接触性响应有着更有前景的研究价值。

文献链接： Cyclodextrin-Based Multistimuli-Responsive Supramolecular Assemblies and Their Biological Functions （Adv. Mater. 2019, 1806158）

本文由材料人高生组我亦是行人编译，材料人整理。

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