南開大學劉育Adv. Mater. 綜述:多刺激響應環糊精超分子組裝體

【背景介紹】

環糊精（CDs）是從淀粉的酶促降解中提取的一類環狀低聚糖，源于1891年Antoine Villiers在碳水化合物發酵后的降解物中偶然的發現。環糊精作為α-1,4-糖苷鍵連接的截錐狀大環寡糖家族中的一員，根據D葡萄糖單元的數量，人們將天然環糊精分類為α，β和γ環糊精，這些環糊精現在均可以通過大規模工業生產獲得。在過去的120年發展過程中，環糊精被應用于幾乎所有的工業領域中。與此同時，在學術領域，由于它們在水溶液和固體狀態下對各種有機和生物活性底物具有優異的分子結合能力，因此基于環糊精的分子識別和組裝在過去幾十年中已經成為超分子化學中關注的焦點。此外，環糊精的自組裝還衍生出許多其他具有獨特拓撲結構的微納米結構，如索烴、（準）輪烷、超分子聚合物、交聯水凝膠和網狀物、功能化納米顆粒等，這極大地擴展了超分子化學的研究目標。
刺激響應型納米材料可以適應微環境變化并以動態方式響應，從從而提供了一種有效的方法來模擬自然和生理過程的反應。該策略可以進一步使我們能夠制造出智能醫學和仿生納米材料。此外，選擇在生物系統中起作用的理想刺激響應模型需要考慮一些因素，如生物相容性、預期作用位點和生物安全問題。從這些因素來考慮的話，生物相容性好且降解后降解物能被人體吸收的環糊精單元被認為是構建響應刺激的超分子組裝體最為理想的組成部分之一，同時由于其基于非共價相互作用的動力學和可逆性質，環糊精單元在客體分子的結合上表現出良好的尺寸/形狀匹配能力。因此，通過環糊精刺激響應型超分子納米體系構建智能生物功能材料大有可為。

【成果簡介】

最近，Adv. Mater.在線刊登了南開大學張瀛溟副教授、博士生劉耀華以及劉育教授總結的關于多刺激響應的環糊精超分子組裝體研究進展的綜述。題目是“Cyclodextrin-Based Multistimuli-Responsive Supramolecular Assemblies and Their Biological Functions”。在這篇綜述中，作者介紹了該課題組以及國內外相關基于環糊精的刺激響應型超分子納米組裝體的最新進展，討論了基于環糊精的智能生物功能材料制備的前景以及所面臨的挑戰，提出了作者的一些見解和建議，并期望這些納米材料能在生物醫學領域更好地轉化和發展。

【圖文解讀】

1、引言

圖一、幾種典型的基于CD的超分子組裝體系
（a） α，β和γ環糊精的分子結構（n代表D-葡萄糖單元的數目）；

（b） 索烴；

（c） 功能化納米粒子；

（d） 超分子聚合物；

（e） 水凝膠；

（f） 輪烷；

（g）交聯網絡結構。

2、pH響應型超分子組裝

細胞間室、體液和器官都有其特有的pH并能維持其酸堿平衡，這使得我們能夠構建pH敏感的超分子組件來精確定位于作用位點。

2.1、pH敏感鏈接

順式烏頭基、腙基、肟基、縮醛基、酮基以及組氨酸和咪唑基等許多酸不穩定的取代基被廣泛應用于構建pH敏感納米體系。

圖二、基于環糊精的pH響應型超分子組裝
（a） I）通過將α-環糊精接入PEG化的多磷酸酯-多柔比星前藥上的超分子凝膠化。II）超分子水凝膠的SEM圖像。III）在不同pH值下納米粒子的釋藥曲線；

（b） I）由β環糊精接枝的透明質酸（HACD）和可水解的金剛烷形成的超分子納米粒子。II）超分子納米粒子的TEM圖像。III）在金剛烷客體的酯解作用前（條帶1和3）和后（條帶2和4），金剛烷基客體（條帶1和2）和二元超分子納米粒子（條帶3和4）控制pDNA的結合及釋放；

（c） I）負載ICG的和β-環糊精封端的二氧化硅-金雜化納米棒，通過靜電相互作用非共價地修飾線粒體靶向肽和電荷可逆的PEG化殼聚糖。II）多組分納米棒的TEM圖像。III）納米組件在不同時間和pH值下的Zeta電位變化，表明其在酸性條件下pH調控的電荷反轉。IV）處理21天后的腫瘤重量。

2.2、可質子化位點

在環糊精骨架中引入可質子化氮原子是實現pH敏感納米組裝體的另一種可行策略。

圖三、基于環糊精的pH響應型超分子組裝
（a） I）被β環糊精-修飾的CuS納米粒子包覆的苯并咪唑接枝的介孔二氧化硅納米粒子。II）超分子納米粒子的TEM圖像。III）在不同pH值下多組分納米粒子的釋藥曲線；

（b） I）由N，N-二異丙基乙二胺改性的β環糊精和聚乙二醇化金剛烷形成的用于遞送琥珀酰膽堿的超分子納米粒子。II）在不同pH值緩沖溶液中琥珀酰膽堿的體外釋放曲線。III）用鹽水，游離琥珀酰膽堿和載藥超分子納米粒子處理后肺轉移性乳腺癌模型的體內生物成像，顯示出超分子納米粒子對乳腺癌肺轉移的增強的治療效果。

2.3、通過pKa調控優化基于環糊精的具有生物活性組裝體

酸度常數（pKa）可以直接反映溶液的質子化狀態，化學基團的特定結構-活性關系很大程度上取決于其質子化狀態。

圖四、通過pKa調控基于環糊精的具有生物活性組裝體
（a） I）酪胺修飾的β環糊精的分子結構及其與脫氧膽酸（DCA）的結合模式。II）DCA，酪胺修飾的β環糊精和包合復合物與HT-29細胞一起孵育48小時后的細胞毒性。注射DCA，酪胺修飾的β環糊精和包合物后，靜脈注射后III）血液和IV)尿液中總膽酸濃度，表明有細胞毒性的DCA可通過尿液排泄從小鼠血液中快速除去；

（b） I）含HACD，葫蘆[6]脲（CB [6]）和金剛烷衍生物（ADA）的超分子siRNA復合物。I-III）癌細胞（PC-3）和IV-VI）正常細胞（NIH3T3）與II，V）含6-羧基-熒光素氨基磷酸酯標記的siRNA培養基，III，VI）ADA? HACD復合物，或IV，VII）（CB [6]?ADA）?HACD組裝體共孵育的熒光顯微鏡圖像，表明由IV）HACD修飾和葫蘆 [6] 脲協同的pKa移位誘導的癌細胞中siRNA的靶向和內化增強。

3、基于氧化還原響應型環糊精超分子組裝

在細胞內外環境中廣泛分布著不同的電荷電勢和氧化還原態，研究具有氧化還原敏感基團的生物相容性納米結構以促進對特定部位的刺激響應是有意義的。

3.1、二硫鍵鏈接

圖五、基于環糊精的含二硫鍵連接的氧化還原響應型納米組裝體
（a） I）由苝二酰亞胺（PDI）和RGD肽封端的基于β環糊精的聚輪烷及其二次組裝過程形成超分子納米粒子。II）來自交聯（SCNP）和非交聯（NP）納米粒子的PTX在不同條件下的控釋曲線，顯示出組裝體GSH響應和激光觸發的藥物釋放；

（b） I）CPT修飾的基于β環糊精超分子終止的含有靶向功能和顯影劑的聚合物及其二次組裝過程形成超分子納米粒子。II）涉及GSH觸發的級聯反應的藥物釋放機制。III）含有和不含有GSH的可打斷（SNP）和不可打斷（SCNP）納米粒子的CPT的控釋曲線。

3.2、二茂鐵基

圖六、含二茂鐵基的基于環糊精的氧化還原響應型納米組裝體
（a） I）經二茂鐵修飾β環糊精自聚合的pDNA縮合。II）交替添加GSH和H₂O₂時水動力學直徑的可逆變化；III）加入H₂O₂前后，不同N / P比的pDNA瓊脂糖凝膠電泳延遲，表明H₂O₂觸發pDNA的釋放；

（b） I）通過包合含有二硫鍵連接的CPT和二茂鐵的PEG化β環糊精，絡合形成超分子膠束；II）超分子膠束在不同GSH濃度下的CPT釋放曲線；III）超分子膠束在不同H2O2濃度下的CPT釋放曲線。

4、基于環糊精的酶響應型超分子組裝

一方面，環糊精作為一種淀粉酶解產物用于多種實際用途，與環糊精糖基轉移酶關系密切；另一方面，環糊精固有的疏水性空腔長期以來一直被用作模仿天然酶的基質結合囊的理想模型。

圖七、基于環糊精的酶響應型超分子組裝
（a） I）β環糊精誘導分解和α-淀粉酶觸發的萘橋聯雙吡啶鹽重組；II）在α-淀粉酶存在下萘基團的熒光猝滅；III）熒光-時間曲線的初始斜率與α-淀粉酶濃度之間的線性相關性；

（b） I）負載氯蟲苯甲酰胺和α環糊精封端的中空介孔硅納米粒子和外加α-淀粉酶的快速釋藥；II）α-淀粉酶對累積釋放速率的影響；III）裝載農藥的超分子納米粒子和商業配方在不同采摘時間的模型昆蟲上的生物活性調查結果，表明實驗組中有著更高的殺蟲效率。

5、光響應型超分子組裝

由于光作刺激為一種非侵襲性和環保的響應方式，光響應超分子組裝體在治療許多危及生命的疾病和中毒方面有著良好的前景。

5.1、偶氮化合物

圖八、基于偶氮化合物的環糊精超分子組裝
（a）具有不同類型的環糊精的三種典型偶氮苯客體。I）α環糊精和偶氮的；II）β環糊精與羧化AAP；III）和γ環糊精與四鄰異丙氧基取代的偶氮苯（ipAzo）；

（b） I）通過β環糊精修飾的細胞和聚乙二醇化的偶氮苯之間的可逆光異構化，光控細胞-細胞接觸；II）在紫外照射前后，β-CD修飾的細胞流式術分析，顯示散點圖右上象限中細胞間的可逆聚集；

（c） I）用Pd嵌入的二氧化硅納米粒子，偶氮苯基作為桿和β-CD作為封端劑制備的光響應型生物正交催化劑；II）紫外光活化下，在細胞中由超分子納米粒子催化的Suzuki-Miyaura偶聯反應；III-V）分別用交叉偶聯產物（綠色通道），MitoTracker Red CMXRos（紅色通道）和Hoechst 33258（藍色通道）對HeLa細胞進行染色；

（d） I）含偶氮苯的鋯金屬-有機骨架的制備及其通過β環糊精與偶氮苯基的可逆地光異構結合，來捕獲和釋放羅丹明B；II）紫外光照射和金剛烷胺作為競爭客體引發的熒光染料的逐步釋放。

圖九、含偶氮化合物的環糊精超分子組裝體
（a） 通過偶氮苯-橋聯雙（β環糊精）和金剛烷修飾的苯丙氨酸二肽之間的超分子組裝成納米片-納米管的相互轉化；

（b） I）β環糊精修飾的金納米粒子；II）兩親性β環糊精納米粒子與反式和順式-AAP的可逆聚集和分散；

（c） I）通過PTX修飾的β環糊精和AAP光控聚集微管；II）A549細胞中主-客體復合物對聚集微管的共定位。4'，6-二脒基-2-苯基吲哚二鹽酸鹽水合物（DAPI），異硫氰酸熒光素（FITC）和含金剛烷的羅丹明B（RhB-ADA）分別用于細胞核，微管和β環糊精染色。

5.2、二芳基乙烯

圖十、基于環糊精的光響應型超分子組裝
（a） I）基于全氟環戊烯二芳基乙烯的光致變色反應；II）由兩親性卟啉，花菁染料和二芳基乙烯橋聯雙（甲基）環糊精形成的三元球形納米粒子；III）三元組裝體在254 nm紫外光照射下的熒光猝滅；IV）在紫外和可見光的交替照射下，三元組裝體在680 nm處的熒光發射光譜和強度變化；

（b） I）光酸化部花青的光致變色反應；II）由β環糊精和Zn²⁺配位的4,4'-聯吡啶形成的聚輪烷及其在水溶液中由光酸化部花青引發的可逆自組裝；

（c） I）CPT和萘二甲酰亞胺（Nap-CPT-Ad）修飾的金剛烷衍生物與HACD絡合形成負載NIR熒光染料的超分子納米粒子；II）在激光照射不同時間后，生理鹽水（對照）和負載染料的納米粒子，腫瘤照射區的最大溫度曲線；III）在激光照射不同時間后，生理鹽水（對照）和負載染料的納米粒子處理的荷瘤小鼠的紅外熱圖像；

（d） I）由上轉換材料為核層，含亞甲基藍的二氧化硅為夾心殼層，負載羅丹明B的β環糊精封端的介孔二氧化硅殼層組成的核-殼-殼納米粒子；II）超分子納米粒子在980 nm，不同功率密度連續NIR照射下的釋放曲線。

5.3、其他類型的基于環糊精的光響應型納米組裝體

6、基于環糊精的磁響應型超分子組裝

圖十一、基于環糊精的磁響應型超分子組裝
（a） 含線粒體靶向肽修飾的磁性納米粒子（MitP-MNP）的HACD交聯形成的二元超分子納米纖維；

（b） 沿地磁場方向生長的MitP-MNP?HACD納米纖維的共聚焦顯微鏡圖像；

（c） Matrigel侵襲模型中的腫瘤細胞侵襲示意圖，表明由MitP-MNP?HACD納米纖維誘導的抑制作用增強；

（d） MitP-MNP?HACD納米纖維對A549細胞轉移的體內抑制。

7、總結與展望

在這篇綜述中，作者總結了最近幾年中基于環糊精的刺激響應型超分子組裝的研究進展，并選擇一些具有代表性的例子并介紹了它們的相關生物學功能。這些超分子材料的潛在生物學應用已經從生物傳感、藥物遞送釋放、細胞內/細胞間信號傳導到疾病的診斷和治療等方面得到了廣泛的應用。作者認為盡管該領域目前取得了顯著的進展，但要掌握結構-活性關系并促進其實際應用仍需要大量的努力，作者認為以下幾點是需要重點關注的問題。

i） 除了主要的單和多取代的β環糊精之外，在擴展其他類型的環糊精的使用方面仍存在巨大的挑戰，并且用于區域選擇性修飾CD骨架的方法的數量相當有限。

ii） 單價的環糊精-藥物體系溶解和遞送不符合個性化精準醫學的高標準。此外，涉及修飾環糊精的高度受控的分子識別（如金剛烷和偶氮苯客體分子）尚未完全用于生物醫學應用。

iii） 基于環糊精的超分子組裝體的生物學功能研究局限在抗癌上，而國內外對心腦血管疾病等其他急慢性病的治療研究相對較少。

iv） 一些目前可用的超分子納米結構在材料和成本方面存在過度設計和浪費，迫切需要簡化和優化基于環糊精的生物功能納米結構組成。

v） 在這些刺激響應型組裝體中，氧化還原和pH值的變化通常會在體內產生化學廢料，因此光、磁等其他遠程和非接觸性響應有著更有前景的研究價值。

文獻鏈接： Cyclodextrin-Based Multistimuli-Responsive Supramolecular Assemblies and Their Biological Functions （Adv. Mater. 2019, 1806158）

本文由材料人高生組我亦是行人編譯，材料人整理。

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