中國科學院長春應化所賀超良與陳學思團隊polymers: 通過四嗪-降冰片烯化學反應的可注射點擊聚氨基酸水凝膠用于順鉑的局部釋放
納米人 2021-06-26
圖片.png

圖片.png

第一作者:張震

通訊作者:賀超良、陳學思

通訊單位:中國科學院長春應用化學研究所、中國科學技術大學


研究背景:

順鉑 (CDDP) 是治療各種上皮惡性腫瘤的一線化療藥物之一。然而,伴隨的腎毒性、胃腸道毒性、周圍神經病變和耳毒性等副作用嚴重危害病人健康。近幾十年來,為了降低副作用,實現在腫瘤部位更高的藥物濃度以及在較長的時間內可控的藥物釋放,人們研究開發了多種可控給藥系統[1]。其中可注射的共價交聯水凝膠系統由于其優越的機械性能和長期穩定性在藥物遞送方面得到了廣泛的研究[2]??勺⑸渌z一般通過物理相互作用或共價鍵形成, 其中物理水凝膠可以在特別溫和的條件下形成,但它們通常是機械強度與長期穩定性較低。共價鍵水凝膠具有良好的機械性能與穩定性,但是在交聯反應過程中的副反應產物會具有細胞毒性,降低了水凝膠的生物相容性。因此,如何制備具有優異機械性能、長期穩定及良好生物相容性的水凝膠是一個關鍵難題。


成果簡介:

近日,中國科學院長春應用化學研究所張震博士、賀超良教授與陳學思教授報道了通過四嗪-降冰片烯的逆電子需求Diels-Alder(iEDDA)點擊反應制備了可注射聚氨基酸水凝膠用于順鉑的局部釋放。該水凝膠藥物緩釋系統具有可控的機械性能,長期穩定并且具有良好的生物相容性,通過藥物緩釋結果亦證明該藥物遞送系統具有抗腫瘤作用并且降低了全身毒性??傮w而言可注射點擊聚氨基酸水凝膠在局部的持續腫瘤藥物傳遞方面具有較大的潛力。


要點1:無銅點擊聚氨基酸水凝膠的制備和表征

作者通過降冰片烯改性聚(L-谷氨酸)(PLG-Norb)和 四嗪官能化四臂聚(乙二醇)(4aPEG-T)之間發生逆電子需求Diels-Alder(iEDDA)點擊反應制備可注射水凝膠,其中PLG-Norb 用于與 CDDP 形成聚合物-金屬絡合,藥物釋放過程在PBS中進行模擬,合成過程如方案1所示。

圖片.png

方案1:(A,B)降冰片烯改性聚(L-谷氨酸)(PLG-Norb)和四臂聚(乙二醇)(4aPEG-T)的合成路線:a)己胺,N,N-二甲基甲酰胺 (DMF),室溫,72 小時;b) 氫溴酸,二氯乙酸,室溫,2 小時;c) 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽 (EDC·HCl)、4-二甲氨基吡啶 (DMAP)、DMF,室溫,72 小時;d) N2H4·H2O,乙醇,90℃,10小時;e) 亞硝酸異戊酯,乙酸,室溫,過夜;f) EDC·HCl,N-羥基琥珀酰亞胺(NHS),DMF,40℃,過夜;g) 二甲亞砜 (DMSO),50 °C,48 小時。(C) 用于局部治療腫瘤的可注射點擊聚氨基酸水凝膠的示意圖。


圖片.png

圖1:(A) 聚合物濃度為 3%、4%、5% (w/v),[N]/[T] 為 1:1,(B) 聚合物濃度為 4% (w/v),[N]/[T] 為 2:1、1:1、1:2時,水凝膠的儲能模量 (G') 和損耗模量 (G") 隨時間的變化。(C) 點擊聚氨基酸水凝膠的 SEM 圖像。(D) 含或不含 5 U/mL 彈性蛋白酶的 PBS 中水凝膠的體外降解曲線。


為了研究交聯過程中的流變行為,監測了水凝膠的 G' 和 G'' 隨時間的變化。水凝膠的 G' 隨聚合物濃度和降冰片烯基團與四嗪基團的摩爾比(表示為 [N]/[T])而變化。SEM 被用來檢測凍干水凝膠的內部形態。如圖 1C 所示,水凝膠具有高度多孔的網絡結構,可能有利于藥物運輸。聚合物材料的降解是藥物遞送系統的主要問題。希望水凝膠在藥物耗盡后降解以避免額外的手術去除載體。通過監測剩余質量來研究水凝膠在含有彈性蛋白酶的 PBS 中的體外降解行為。如圖 1D 所示,水凝膠的質量在 6 天內不斷減少,這應該歸因于 PLG 主鏈的逐漸分解和隨之而來的聚合物網絡的降解。


要點2:載 CDDP 的水凝膠體外釋放分析

圖片.png

圖2:(A) 在 5 mM PB (pH 7.4) 中聚合物濃度為 0.01 mg/mL 時的 CD 光譜。(B) 順鉑 (CDDP) 負載水凝膠的凝膠動力學,CDDP 濃度為 2 和 3 毫克/毫升。(C) 在 PBS 或 PB(不含 NaCl)中,CDDP 從水凝膠中的體外釋放曲線。


負載 CDDP 的水凝膠的流變測試表明凝膠化速率降低。如圖 2B 所示,當 CDDP 與 PLG-Norb 骨架結合時,由于空間位阻增加,G' 需要更長的時間才能達到相同的值。CDDP 從水凝膠的體外釋放曲線在 37°C 的 PBS 中進行評估。在 12 天的測試期間,由于從 PLG-Norb 的羧基到氯離子的配體交換,34% 的 CDDP從水凝膠中持續釋放出來(圖2C)。相比之下,在不含 NaCl 的 PB 中,只有 6.7% 的 CDDP 從水凝膠中釋放出來。


要點3:負載 CDDP 的水凝膠體外細胞學分析

圖片.png

圖 3. (A) 載有 CDDP 的水凝膠對 MCF-7 細胞的體外細胞毒性。(B) 由載有 CDDP 的水凝膠誘導的 MCF-7 細胞的細胞周期分布的流式細胞儀分析。


使用 MCF-7 細胞評估了負載 CDDP 的水凝膠的體外腫瘤細胞抑制效率。如圖 3A 所示,水凝膠本身沒有表現出可檢測到的細胞毒性,細胞活力保持在 95% 以上。相比之下,載有 CDDP 的水凝膠以劑量依賴性方式抑制 MCF-7 細胞的增殖。孵育 24 小時后,細胞活力從 90.7% 降低到 41.0%。由于 Pt 復合物的持續釋放,增加孵育時間進一步增強了負載 CDDP 的水凝膠的抗腫瘤作用。如圖 3B 所示,與 PBS 組 (38.35%) 相比,負載 CDDP 的水凝膠誘導 MCF-7 細胞的 S 期停滯 (50.10%),而空白水凝膠孵育的 MCF-7 細胞在不同階段的百分比與 PBS 組的相當。這進一步證明了基于 iEDDA 的聚氨基酸水凝膠的細胞相容性。


要點4:水凝膠的體內生物相容性分析

圖片.png

圖 4.水凝膠的體內生物相容性。(A) 在不同時間間隔后皮下注射到大鼠體內的水凝膠代表性圖像。在相應的時間間隔后水凝膠和周圍組織的 (B) H&E 染色和 (C) 馬森三色染色。星號表示水凝膠的位置。


為了研究無銅點擊聚氨基酸水凝膠的體內生物相容性,將 PLG-Norb 和 4aPEG-T 的 PBS 溶液在混合后皮下注射到大鼠背部。在不同的時間點處死大鼠并通過手術解剖注射部位以暴露水凝膠與相鄰皮膚。據觀察,水凝膠可以在注射部位形成而不會外滲到周圍組織中。由于降冰片烯和四嗪基團之間的反應形成了穩定的共價鍵,4 周內水凝膠保持其結構完整性,并且發現在水凝膠周圍形成薄的纖維囊(圖 4)。此外,通過 H&E 和 Masson 三色染色處理水凝膠周圍的宿主組織評估炎癥反應。注射后1周,觀察到炎癥細胞增多,膠原沉積增多,顯示初期為急性炎癥反應。之后,炎癥細胞逐漸減少。實驗過程中未觀察到肉眼可見的水腫、充血和組織壞死。因此,結果表明水凝膠具有良好的穩定性和組織相容性。


要點5:載有 CDDP 的水凝膠的體內抗腫瘤功效分析

圖片.png

圖 5. 載有 CDDP 的水凝膠治療攜帶 MCF-7 異種移植瘤的 BALB/c 裸鼠的體內抗腫瘤功效。(A) 相對腫瘤體積。(B) 相對體重。箭頭表示在第 0、3、7 天以 3.3 mg/kg 的劑量注射 3 次游離 CDDP。數據表示平均值 ± SD;值通過單向方差分析,* p < 0.05,** p < 0.01,*** p < 0.001。(C) 第 14 天小鼠腫瘤組織和主要器官的 H&E 染色。


為了評估體內抗腫瘤功效,小鼠在第 0、3、7 天接受了 3 次游離 CDDP 瘤周注射,每次劑量為 3.3 mg/kg。如圖 5A 所示,在 PBS 組中,腫瘤大小在實驗過程中迅速增加。相比之下,游離 CDDP 和負載 CDDP 的水凝膠組的腫瘤生長得到有效抑制。值得注意的是,負載CDDP的水凝膠的抑制作用可以通過將劑量增加到15 mg/kg來進一步提高,TIR顯著提高了86.6%。此外,通過監測小鼠體重來評估治療的全身毒性。結果表明,即使 CDDP 劑量達到 15 mg/kg,用負載 CDDP 的水凝膠治療的小鼠仍保持穩定的體重,表明基于水凝膠的治療的全身毒性較低(圖 5B)。進行H&E染色以評估各組中腫瘤和主要器官的組織學特征。如圖5C所示,在PBS組的腫瘤組織中觀察到緊密堆積的腫瘤細胞,表明腫瘤快速生長?;熕幬镏委熀?,細胞密度下降,出現不同程度的壞死區。另一方面,載有CDDP的水凝膠組動物的主要器官未觀察到組織病理學變化。這證實了通過從腫瘤部位的水凝膠局部和持續釋放 CDDP 進行治療的低毒副作用。相比之下,游離 CDDP 引起明顯的腎毒性,表現為腎囊腔收縮 [3]。


小結:

在本研究中,通過 PLG-Norb 和 4aPEG-T 之間的 iEDDA 反應開發了一種可注射的聚氨基酸水凝膠,用于 CDDP 的局部遞送??焖俸蜕镎坏狞c擊反應使我們能夠制備具有不同機械性能的水凝膠。PLG 的羧基用于與 CDDP 形成聚合物 - 金屬絡合,延長釋放曲線。對于攜帶 MCF-7 異種移植瘤的小鼠的體內治療,由于腫瘤部位局部、持續的 CDDP 釋放,單次瘤周注射負載 CDDP 的水凝膠表現出顯著的抗腫瘤功效和降低的全身毒性。此外,點擊水凝膠具有較小的炎癥反應和良好的體內穩定性,是有吸引力的長效緩釋材料??傮w而言,可注射點擊聚氨基酸水凝膠顯示出作為局部、持續遞送抗腫瘤藥物平臺的巨大潛力。


參考文獻:

[1] Wang, D.; Lippard, S.J. Cellular processing of platinum anticancer drugs. Nat. Rev. Drug Discov. 2005, 4, 307–320.

[2] Ko, D.Y.; Shinde, U.P.; Yeon, B.; Jeong, B. Recent progress of in situ formed gels for biomedical applications. Prog. Polym. Sci. 2013, 38, 672–701.

[3] Wu, X.; Wu, Y.; Ye, H.; Yu, S.; He, C.; Chen, X. Interleukin-15 and cisplatin co-encapsulated thermosensitive polypeptide hydrogels for combined immuno-chemotherapy. J. Control. Release 2017, 255, 81–93.


通訊作者簡介:

賀超良,博士,中國科學院長春應用化學研究所研究員、博士生導師。主要研究方向:(1)仿生智能性高分子水凝膠的設計、制備與生物醫學應用;(2)抗腫瘤藥物局部緩釋載體材料;(3)生物活性水凝膠組織再生與修復材料。已發表SCI論文100余篇;其中,以第一/通訊作者在Advanced Materials, National Science Review, Advanced Drug Delivery Reviews, Biomaterials, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Controlled Release, Biomacromolecules等IF > 5的SCI雜志發表論文40余篇。全部論文SCI他引總計5000余次,單篇最高SCI他引500余次,h-index為45。以第一發明人獲得授權中國發明專利17項。2013年入選中國科學院青年創新促進會(2017年入選優秀會員)。2016年獲得國家自然科學基金“優秀青年科學基金”。擔任《中國科學:技術科學》和《Science China Technological Sciences》中英文版青年編委。

陳學思,中國科學院院士,中科院長春應用化學研究所學術委員會常務副主任,中科院生態環境高分子材料重點實驗室學術委員會副主任,生物高分子研究組組長,中共吉林省委和吉林省政府評為吉林省高級專家,享受政府特殊津貼。曾榮獲中國科學院科技促進發展一等獎,中國化工學會“第六屆侯德榜化工科學技術獎”,中國化學會“贏創化學創新獎”2014年 ,中國石油和化學工業聯合會技術發明獎一等獎,“十一五”國家科技計劃執行突出貢獻獎,長春高新技術產業開發區管委會評為“自主創新十強企業”經營者,中國化學會高分子科學論文創新獎,長春高新技術產業開發區管委會評為科技創業先進個人,吉林省科技進步一等獎,世界華商創新獎“聚乳酸生物可降解材料”,國家杰出青年科學基金。長期從事高分子化學研究,設計與合成高旋光純度的聚乳酸和聚氨基酸兩大類聚合物,具體從事生物降解醫用高分子材料與器件、組織工程支架和藥物緩釋載體、聚乳酸和聚ε-己內酯綠色材料產業化等方向的研究與開發工作。開展了PEG-g-聚谷氨酸/順鉑抗腫瘤納米藥物的制備及其應用研究。同浙江海正集團合作實現了1.5萬噸聚乳酸產業化,技術水平達到了國際領先。組建了長春圣博瑪生物材料有限公司,獲得了可吸收骨折內固定釘和板CFDA兩個注冊證(III類)。發表SCI學術論文700余篇,SCI他引2萬余次,h-指數為83。授權專利260余項。近年來,主持國家自然科學基金基礎科學中心項目及多項國家重點和重大科技項目。


加載更多
149

版權聲明:

1) 本文僅代表原作者觀點,不代表本平臺立場,請批判性閱讀! 2) 本文內容若存在版權問題,請聯系我們及時處理。 3) 除特別說明,本文版權歸納米人工作室所有,翻版必究!
納米人
你好測試
copryright 2016 納米人 閩ICP備16031428號-1

關注公眾號

人妻系列av无码久久无费,精品第一国产综合精品蜜芽,日韩在线视频,国产丶欧美丶日本不卡视频,国自产露脸视频在线观看学生