催化活性單鏈聚合物納米粒子：探索其在復雜生物媒體中的功能

【引言】

動態單鏈聚合物納米粒子（SCPNs）是引人注目的生物感應結構，由單個聚合物鏈折疊或折疊成納米尺寸的粒子而形成。本文提供了一個詳細的關于動態SCPN在活細胞中行為的生物物理學研究以及在這種復雜介質中對其催化功能的評估。研究人員首先制定了許多交付實驗，允許SCPNs在不同的細胞區室選擇性定位。活/死實驗表明SCPN對細胞沒有毒性，而光譜成像顯示SCPNs提供的結構可以屏蔽并減少來自外部生物介質的影響。 SCPNs作為生物介質催化劑的能力首先通過調查其活性氧產生的潛力來評估。隨著卟啉與SCPN共價連接，用光照射產生單線態氧，誘導空間控制的細胞死亡。此外，還制備了Cu（I） - 和Pd（II）- 基SCPNs，并對這些催化劑進行了體外篩選，并在細胞環境中研究了羅丹明基底物的氨基甲酸酯裂解反應。這是用于解除生物活性化合物例如細胞毒性藥物用于基于催化的癌癥治療的模型反應。可以觀察到，脫保護速率取決于有機金屬催化劑和保護基團的性質。從體外到生物環境的速率降低，表明生物分子對催化劑性能的強烈影響。基于Cu（I）的SCPN與二甲基炔丙氧基羰基保護基組合在體外和生物環境中表現出最好的性能，使得該組在生物醫學應用中有前景。

【成果簡介】

近日，埃因霍芬理工大學的?Anja R. A. Palmans 和加泰羅尼亞生物研究所的Lorenzo Albertazzi在Journal of the American Chemical Society上發表了一篇題為“Catalytically Active Single-Chain Polymeric Nanoparticles: Exploring Their Functions in Complex Biological Media”的文章。該文介紹了SCPN在活細胞中行為的生物物理學研究，以及他們在復雜生物環境中催化性能的評估。SCPN包含用（i）水溶性側鏈（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確保水溶性; （ii）苯-1,3,5-三甲酰胺（BTA）超分子部分以引發氫鍵誘導的聚合物折疊和（iii）催化活性位點。首先評估和優化遞送策略，以針對不同的區室：細胞內空間，細胞質或胞質溶質體室和細胞外空間。這使研究人員能夠根據所需的應用選擇交付策略。接下來，評估了兩種在細胞環境中進行的活動，實驗結果很有前景，為生物醫學應用的體內催化鋪平了道路。此外，關于活細胞中SCPN行為的生物物理學研究提供了關鍵信息，并將使得能夠合理設計改進的用于基于催化療法的納米系統。

【圖文導讀】

圖1 SCPNs設計圖

（A）聚合物催化劑的一般結構，其折疊成SCPN及其細胞遞送；

（B）本研究中使用的水溶性側鏈，基于BTA的折疊模體，催化劑和底物的化學結構。

圖2 Hela細胞的共聚焦成像使用不同的方法來進行基于P1的SCPN遞送

（A）通過以高濃度（2.5 mg·mL^-1）在培養基中通過胞吞作用和隨后的P₁的溶酶體定位施用細胞內化24小時；

（B）通過電穿孔細胞內遞送和隨后P1的胞質定位；

（C）通過向培養基中施用P₁ 1.0mg/mL處理3小時后進行細胞外定位。

圖3?用活/死實驗測定P₁的毒性

（A）在SCPN內化后HeLa細胞的細胞存活力；

（B）未處理細胞的存活力作為對照；

（C）電穿孔區域的成像；

（D）取決于與電極的距離的細胞生存力的空間分布。?

圖4?在用不同濃度的基于P₃的SCPN溫育24小時后HeLa細胞中單線態氧的光生成

（A）用不同濃度的P3處理的HeLa細胞的共焦成像顯示濃度依賴性攝取；

（B）活/死的共焦成像，對用P1（左）和P3（右）處理的HeLa細胞進行測定；

（C）在不同聚合物濃度和30和150 s的UV照射時間下細胞活力的定量；

（D）不同聚合物濃度的相應共焦活/死測定。 比例尺= 50μm。

圖5?在存在HeLa細胞的情況下SCPN基催化劑對受保護的羅丹胺進行脫保護反應的結果

（A）本研究中使用的基材S1-S4的化學結構；

（B，C）S2（B）和S1（C）與基于P2 Cu（I）和P1 Pd（II）的SCPN的脫保護反應的動力學曲線在存在細胞培養基和HeLa 細胞；

（D）直方圖總結，不同催化劑、底物和對照反應2小時后MC-Rh 110的熒光強度。

圖6?在復雜介質中使用SCPN進行48小時的脫保護反應動力學

（A，B）在全細胞培養基（DMEM + 10％血清）中，在有或沒有HeLa細胞的情況下，S₂（B）的S₁（A）和P1 @ Pd（II）的P2 Cu（I）催化脫炔二化反應；

?（C，D）SCPN與金屬或僅與金屬復合，與底物一起孵育的HeLa細胞的成像。

【小結】

在這項工作中，研究人員展示了生物環境中動態單鏈催化聚合物納米顆粒活性的生物物理學研究結果。SCPNs甚至包含過渡金屬基催化劑的那些都表現出優異的生物相容性，并且不顯示對細胞的顯著毒性。此外，有證據表明，動態SCPN為催化物種創造了一個相當穩定的環境。研究了兩種評估在復雜生物介質中使用SCPN的可行性的策略。當通過內吞作用將卟啉基SCPN引入細胞時，用光照射成功產生單線態氧并促進光致局部毒性。這使得這些SCPN對未來在光動力療法中的應用非常有趣。此外，裝載Pd（II）和Cu（I）的金屬基SCPN在細胞外空間中顯示出有效的脫保護的羅丹明保護作用。由于SCPN在合成生物學和治療性生物材料領域的潛在應用，能夠在活細胞中發揮其功能的催化系統的發展一直是近來關注的主題。然而，這種結構的合理設計是一個巨大的化學挑戰，主要是由于缺乏對復雜生物環境中催化體系行為的了解，因此缺乏對其結構 - 活性關系的了解。因此，本文介紹的生物物理學研究揭示了SCPN在細胞環境中的行為，為合理設計能夠在體內進行有效催化的納米系統鋪平了道路。

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

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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