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西安交大周德重團(tuán)隊(duì) Prog. Polym. Sci. 綜述: 功能化聚合物用于胞質(zhì)蛋白遞送
2023-10-10  來(lái)源:高分子科技

  隨著人們對(duì)可靠臨床治療方法的需求日益增長(zhǎng),相較于傳統(tǒng)小分子藥物局限性,蛋白質(zhì)藥物因其高特異性、低細(xì)胞毒性和獨(dú)特的生物學(xué)功能而備受青睞。蛋白質(zhì)類藥物市場(chǎng)銷售額也證明其開發(fā)的巨大價(jià)值。然而,蛋白類藥物具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜不穩(wěn)定、表面抗原碎片易引起免疫清除、不能穿透細(xì)胞膜等局限性。目前市場(chǎng)上蛋白質(zhì)藥物主要作用于胞外靶點(diǎn),嚴(yán)重限制了蛋白質(zhì)藥物的發(fā)展和應(yīng)用。使用載體可以提高蛋白質(zhì)藥物的穩(wěn)定性,降低免疫清除,促進(jìn)其細(xì)胞攝取和胞質(zhì)釋放。聚合物已被用作小分子,DNARNA遞送載體。然而,開發(fā)高效、低細(xì)胞毒性的蛋白質(zhì)遞送聚合物仍然面臨蛋白質(zhì)結(jié)合能力差、膜不滲透性和低溶酶體逃逸效率等一系列挑戰(zhàn)。


  西安交通大學(xué)化工學(xué)院周德重教授基于功能化聚合物在胞質(zhì)蛋白遞送方面表現(xiàn)出的潛力,近期在Progress in Polymer Science上發(fā)表了題為“Functionalization of Polymers for Intracellular Protein Delivery”的綜述文章。這篇綜述文章基于聚合物作為蛋白質(zhì)遞送載體的優(yōu)勢(shì),總結(jié)了提升蛋白質(zhì)遞送效率的特定的成分功能化聚合物策略(氟、硼、胍、雜環(huán)和多組分),闡明了聚合物功能化的有效蛋白質(zhì)遞送機(jī)制。 


圖1功能化聚合物用于胞質(zhì)蛋白遞送


  該文章首先從四個(gè)方面總結(jié)了聚合物作為蛋白質(zhì)遞送的優(yōu)點(diǎn)。(1)高生物相容性,高生物相容性的聚合物在抗菌材料、醫(yī)療器械、生物支架、藥物載體、生物成像等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。環(huán)狀、線性、刷狀、超支化和星形等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物已被發(fā)現(xiàn)可有效遞送小分子藥物、DNA、RNA和蛋白質(zhì);(2)靈活調(diào)整聚合物官能團(tuán)的類型和比例、功能化組分類型有助于調(diào)整其電性能,改善其在蛋白質(zhì)包封、細(xì)胞毒性、細(xì)胞攝取和貨物的內(nèi)體逃逸等過(guò)程;(3)時(shí)空可控蛋白質(zhì)釋放,設(shè)計(jì)聚合物組成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分子量、功能化組分、功能度、聚合物尺寸等調(diào)控聚合物的空間 (生物微環(huán)境和器官類型)和時(shí)間(爆發(fā)和緩釋)釋放;(4)有效維持蛋白質(zhì)生物活性,當(dāng)前已成功遞送熒光蛋白、功能性蛋白、毒蛋白等一系列蛋白,并在體內(nèi)和體外研究中證明聚合物載體的可行性。


  隨后,作者依次從氟化、硼化、胍基化、雜環(huán)以及多組分功能化聚合物策略展開,重點(diǎn)闡述功能化組分類型、功能化度、序列分離度、靶向性、功能化后再修飾等因素對(duì)蛋白質(zhì)遞送機(jī)制的影響。


  氟鏈的引入賦予聚合物疏水性和疏脂性,雙疏性更易于完成聚合物對(duì)蛋白的有限包裹而不影響蛋白質(zhì)活性,同時(shí)納米粒子與細(xì)胞膜的有限混溶促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)化而不引起細(xì)胞毒性。


  硼化聚合物通過(guò)N-B配位增強(qiáng)與蛋白質(zhì)結(jié)合、識(shí)別細(xì)胞膜唾液酸殘基靶向腫瘤,促進(jìn)納米顆粒攝取提高跨膜能力。此外,硼化聚合物表現(xiàn)出低細(xì)胞毒性和血清穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)促使硼化成為通用的聚合物功能化策略。作者以常見的苯硼酸功能化為切入點(diǎn),總結(jié)了通過(guò)調(diào)節(jié)苯硼酸組分類型、功能化度、功能化后再修飾等改善蛋白質(zhì)的遞送效率的策略。 


圖2硼化聚合物可以有效地將蛋白質(zhì)遞送到細(xì)胞質(zhì)中。a、苯硼酸功能化和功能化度影響蛋白質(zhì)傳遞效率;b、苯硼酸功能化聚合物促進(jìn)溶酶體逃逸;c、含苯硼酸納米顆粒在不同血清條件下的穩(wěn)定性;d、不同硼配體的功能化聚合物;e、苯硼酸結(jié)構(gòu)聚合物的遞送效率關(guān)系;f、不同長(zhǎng)度烷基鏈酯化聚合物的遞送效率。


  胍基功能化的聚合物通過(guò)鹽橋和多價(jià)氫鍵強(qiáng)烈結(jié)合氧陰離子基團(tuán)(如蛋白質(zhì)中的COOR-殘基和磷脂中的R2PO4-殘基) 改善蛋白質(zhì)結(jié)合并促進(jìn)細(xì)胞膜的相互作用,增加細(xì)胞內(nèi)化。通過(guò)調(diào)節(jié)胍基配體的類型、分子量、序列分離度改善蛋白質(zhì)的遞送效率。高胍類單體比例的聚合物實(shí)現(xiàn)90%蛋白質(zhì)遞送效率,疏水性和陽(yáng)離子部分高序列分離度的胍化聚合物可以成功遞送綠色熒光蛋白。 


圖3胍基化聚合物可以有效地將蛋白質(zhì)遞送到細(xì)胞質(zhì)中:a、銨離子和胍離子與羧酸根離子和磷酸鹽離子的鹽橋相互作用的締合常數(shù)(Kassoc);b、含胍聚合物的內(nèi)吞作用;c、胍基含量與蛋白質(zhì)傳遞效率的關(guān)系;d、高序列分離度對(duì)蛋白質(zhì)遞送效率的影響。

  N、O、S等雜原子具有高電負(fù)性,可以通過(guò)誘導(dǎo)效應(yīng)與雜環(huán)相互作用,調(diào)整雜環(huán)的電荷分布。因此,雜環(huán)有機(jī)化合物通常用于開發(fā)生物大分子遞送系統(tǒng)。吡啶、嘧啶等雜環(huán)化合物功能化的聚乙烯亞胺和聚乙二醇能夠通過(guò)配位和氫鍵調(diào)節(jié)電荷和貨物結(jié)合能力,從而促進(jìn)胞質(zhì)蛋白質(zhì)遞送。


  多組分功能化定義為使用兩種或兩種以上的聚合物功能化策略(氟化、硼化、胍基化和雜環(huán))。氟功能化提高了聚合物與蛋白質(zhì)的自組裝;苯硼酸功能化聚合物由于N-B配位與蛋白質(zhì)形成的強(qiáng)鍵,納米粒子在鹽溶液環(huán)境下表現(xiàn)出搞穩(wěn)定性。雜環(huán)和胍基(或苯硼酸)功能化的支化聚(β-氨基酯)s表明,雜環(huán)結(jié)構(gòu)與含量、聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、末端氨基比例和蛋白質(zhì)遞送效率之間存在復(fù)雜關(guān)系。含苯硼酸酯(B-O雜環(huán))衍生物通過(guò)N-B配位促進(jìn)聚(β-氨基酯)s與蛋白質(zhì)作用,并賦予聚(β-氨基酯)s ROS降解性,靶向腫瘤微環(huán)境。超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、末端氨基、胍基和苯硼酸功能化的聚合物顯示出優(yōu)越的蛋白質(zhì)結(jié)合和細(xì)胞攝取能力,從而顯著提升蛋白質(zhì)遞送效率。 


圖4多組分功能化聚合物策略。a、多組分官能團(tuán)超支化聚合物的合成策略;b、雜環(huán)組分對(duì)聚合物遞送效率的影響;c、線性和超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)聚合物遞送效率的影響;d、末端氨基對(duì)超支化聚合物遞送性能的影響;e、聚合物功能化組分苯硼酸含量對(duì)聚合物遞送效率的影響。

  最后,作者指出聚合物載體在蛋白質(zhì)治療方面具有廣闊前景和臨床應(yīng)用潛力,以及聚合物作為蛋白質(zhì)遞送載體的前景和面臨的挑戰(zhàn),為今后的研究指明了方向。當(dāng)前,用于蛋白質(zhì)遞送的聚合物載體的開發(fā)仍處于早期階段,許多挑戰(zhàn)仍待解決。理想情況下,人們期望創(chuàng)造出易于合成、具有良好生物相容性和高穩(wěn)定性的聚合物,能夠有效地遞送各種蛋白質(zhì),保持蛋白質(zhì)的生物活性,實(shí)現(xiàn)靶向治療,并最終能夠從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際臨床應(yīng)用。


  全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101751

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