浙大朱蔚璞課題組Macromolecules：端羧基酯交換法合成生物可降解的高分子量聚乙二醇

【背景介紹】

聚乙二醇（PEG）由于其無毒，抗蛋白吸附和非免疫原性，是制藥工業中使用最廣泛的生物聚合物之一。PEG鏈與生物活性治療物質（例如，藥物蛋白，多肽和其他藥物分子）的共價連接（稱為PEG化）可以增加這些藥物的化學穩定性和生物循環時間。此外，PEG具有“隱遁”效應，可避免細胞吞噬作用，從而降低PEG化偶合物的免疫原性。目前食品和藥物管理局已經批準了許多聚乙二醇化藥物。已有的研究發現聚乙二醇化藥物的功效高度依賴于聚乙二醇的分子量。但值得注意的是，PEG在體內無法降解，其代謝機理取決于其分子量。低于10 kDa分子量的PEG可通過腎臟濾過作用排出，而較大分子量的PEG則不能被肝臟有效降解，再通過腎臟進行清除，這會導致PEG在這些器官中蓄積并增加中毒的風險。因此，用于治療用途的PEG的分子量通常不超過10kDa，以確保能夠完全被腎小球濾除。克服此缺點的有效解決方案是將可生物降解的官能團引入PEG主鏈結構來合成可生物降解的PEG，其中含有超過95％的PEG成分，因此可保持PEG本身的優良性質。根據該策略，以往的研究者將酯鍵、酰胺鍵、二硫鍵和乙烯基醚等可降解基團引入到PEG主鏈中。但這些策略大多數都需要特定功能化的PEG單體和繁瑣的多步合成。

已有研究表明，可生物降解的PEG可以通過商品化的PEG二醇（市售PEG的端基多為羥基）和二元羧酸之間進行聚酯化反應直接制備。然而，由于PEG聚酯化的困難，很難通過這種途徑獲得高分子量（HMW）產物。其第一個挑戰是聚酯化的反應程度受制于其較小的酯化平衡常數（~4）。其次，由于其逐步生長的機理，根據Carothers的理論，該聚酯化反應需要使用高純度單體和精確的等基團比。此外，PEG二醇的多分散性使其難以定量，且大多數二元羧酸由于升華或副反應而會在反應過程中損失掉。這些因素導致羧基和羥基難以達到精確的等配比，導致了產物的低分子量（通常<20 kDa）。

【成果簡介】

最近，浙江大學朱蔚璞副教授團隊合作利用端羧基酯交換法合成了生物可降解的高分子量聚乙二醇。作者通過PEG二醇和過量的二元羧酸進行熔融縮聚方式合成了可生物降解的PEG。同時，作者還開發了一種新型的端羧基酯交換機制，其克服了傳統酯化策略合成高分子量產物的困難，制備出分子量高達112.6 kDa的可生物降解PEG。此外，作者進一步證實了這些可生物降解PEG的性質可比擬于同等分子量的不可降解的普通PEG，并且它們的酯鍵裂解后可以在體內被代謝掉。相關成果以“High Molecular Weight Biodegradable Poly(ethylene glycol) via Carboxyl-Ester Transesterification”發表于Macromolecules期刊上。論文的第一作者為浙江大學高分子系博士研究生蔡秋泉，通訊作者為浙江大學高分子系朱蔚璞副教授，浙江大學醫學院附屬口腔醫院李曉東研究員為共同通訊作者。

?【圖文導讀】

Scheme 1.通過將酯鍵引入到PEG主鏈上制備可生物降解PEG

Scheme 2.兩種酯交換過程的比較

（a）使用過量的二元羧酸進行端羧基酯交換反應，以合成可生物降解的HMWPEG；

（b）利用分子鏈的末端羧基-酯鍵之間的交換反應來脫除過量的小分子二酸，從而逼近羥基和羧基的等配比，在熔融縮聚方式下合成了可生物降解的HMWPEG；

（c）PEG過量時，由于含PEG的鏈段分子量較大，不具有可揮發性而無法被排出體系，末端羥基-酯鍵之間可發生交換（端羥基酯交換），但產物分子量沒有變化。

圖一、酯交換前預聚物SA和PEG₆₀₀的質譜分析

預聚體的鏈端是羧基封端，因此不能通過傳統的酯化反應進行鏈增長。

圖二、SA和PEG₆₀₀的縮聚動力學

（a）在180℃下，SA/PEG₆₀₀在聚合物中的比例，數均分子量（Mn）和分子量分布（D?）隨時間的變化；

（b）在160℃(左)和180℃(右)兩種溫度下，ln{[COOH]₀/[COOH]}與酯交換反應時間的函數關系。

?圖三、可生物降解PEG的流體力學直徑，抗蛋白質吸附和細胞相容性

（a）可生物降解PEG（PEG₆₀₀-alt-SA，PEG_1k-alt-SA，PEG_2k-alt-SA，PEG_4k-alt-SA和PEG_10k-alt-SA）和普通PEG（PEG_35k）的流體力學直徑；

（b）單位重量人纖維蛋白原吸附的可生物降解PEG和PEG_35k的量；

（c）可生物降解PEG和PEG_35k對人血紅細胞的溶血作用;

（d）可降解PEG和PEG_35k存在下的MC3T3-E1細胞存活率。

圖四、可生物降解PEG及其偶合物的免疫原性

（a）可生物降解PEG偶合的牛血清蛋白（BSA）降低了其免疫原性：

（b）采用Balb/c小鼠作為動物模型注射聚合物和聚合物-BSA偶合物，并分別在10天和20天后使用間接ELISA檢測其血清中產生的抗體（IgG和IgM）含量。

圖五、可生物降解的PEG偶合物的藥代動力學及其生物分布

（a）通過向雌性SD大鼠靜脈注射聚合物-Cy5.5偶合物（Cy5.5作為熒光標記物質）的藥代動力學曲線；

（b）聚合物-Cy5.5偶合物在雌性SD大鼠體內的器官分布與靜脈給藥時間的關系。

【小結】

綜上所述，作者通過一種新的端羧基酯交換反應機制，采用傳統的熔融縮聚方式合成了生物可降解的HMW PEG。該方法首先需要過量的二元羧酸與PEG二醇通過酯化反應生成羧基封端的預聚物。而擴鏈則通過預聚物中的末端羧基和末端酯鍵之間的端羧基酯交換機理進行，在高溫和真空下可通過升華除去過量的二元羧酸。同時，作者認為這種新策略可以擴展到以揮發性或非揮發性二醇作為單體來合成各種可降解聚合物。最后，通過與同等分子量的普通PEG相比，作者還證實了可生物降解的HMW PEG具有出色的抗蛋白質吸附能力，細胞相容性和隱遁效果。此外，可生物降解的HMW PEG可以生物降解為小分子并從體內清除掉，而普通HMW PEG則容易在肝臟和腎臟中引起積累，從而增加了引起毒性反應的風險。因此，作者預期這種可生物降解的HMW PEG在不久的將來可用作藥物遞送的安全化學修飾劑。

文獻鏈接：High Molecular Weight Biodegradable Poly(ethylene glycol) via Carboxyl-Ester Transesterification（Macromolecules. 2020, DOI: https://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.9b02177.）

本文由我亦是行人編譯。

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