JACS | pH响应的乙酰化葡聚糖改善金纳米簇的体内排泄和生物可降解性

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今天给大家介绍一篇最近发表于J. Am. Chem. Soc.的文章，题为: Biodegradable Gold Nanoclusters with Improved Excretion Due to pH-Triggered Hydrophobic-to-Hydrophilic Transition。本文通讯作者是美国宾夕法尼亚大学的Andrew Tsourkas教授。

金纳米粒子(AuNPs)是一种非常有用的纳米材料，广泛用于临床治疗。金可用于辐射敏化和光热疗法，与其他药物及显像剂复合，作为靶向递送的支架。但其生物可降解性较差，会带来潜在的安全隐患。粒径较大的AuNPs（约10-200 nm），如需较长血液循环时间和明显肿瘤定位的纳米颗粒，在体内很少甚至没有溶解和排泄。AuNPs在溶酶体的强酸性与水解环境中也不易分解，导致其在生物组织中会滞留数周至数月。AuNPs体内长期滞留问题成为临床应用和监管批准的一个重要问题。

为了保持良好的药代动力学（有一定循环时间），同时提升AuNPs的体内清除能力，一种策略是在更大的生物可降解结构中封装小的AuNPs核心。这种纳米材料的整体尺寸可以保持良好生物分布，降解后产生的小的金颗粒可以加速降解，容易排出体外。生物可降解的pH响应型金纳米团簇已在许多应用中卓有成效，如内含体逃逸、肿瘤聚集和药物释放等。本文作者基于此开发了一种新型生物可降解的pH响应型金纳米材料，可在酸性条件下由疏水性转变为亲水性（图1）。

图1. AcetalDextran-AuNPs在酸性环境下从胶束中分散出来

超微小的AuNPs被pH响应型的聚合物（乙酰化葡聚糖，AcetalDextran）包覆，封装在两亲性的二嵌段共聚物（PEG-PCL）的疏水内核中，形成紧密的聚合物胶束。当暴露于低pH环境时(如细胞溶酶体)，乙酰化葡聚糖的缩醛基团发生水解，导致胶束破坏，AuNPs由疏水性逐渐变为亲水性，释放于溶液中。这些小而分散的AuNPs具有更强的降解和排泄能力，可以更快更广泛地生物消除。

该工作的一个目的是制备直径低于肾清除临界值（约6-8nm）的葡聚糖包覆的AuNPs。使用对巯基苯甲酸（pMBA）作为封端剂，得到pMBA-AuNPs（图2A），随后包覆上低分子量的带有单个巯基末端的葡聚糖（5 kDa）。巯基化葡聚糖（dextran-thiol）由葡聚糖末端的葡萄糖基与3,3'-二硫代双(丙酰肼)经还原胺化，NaBH3CN还原，再经三羧基乙基膦(TCEP)还原得到（图2B）。亲水的pMBA-AuNPs通过配体交换来包覆上巯基化葡聚糖，得到Dextran-AuNPs（图2C）。该反应中，巯基化葡聚糖的摩尔量比pMBA远超10倍，以使AuNPs表面尽可能全部替换上巯基化葡聚糖。采用DLS检测Dextran-AuNPs，其平均峰值水动力直径为7.3 nm，接近于负电荷颗粒的肾过滤尺寸临界值（约6-8 nm），因此部分Dextran-AuNPs可能无法被肾过滤，但溶酶体中的α-葡糖苷酶可使葡聚糖衍生物降解，同时一些大尺寸的Dextran-AuNPs也会随时间经葡聚糖的水解而变小。随后，葡聚糖上的羟基与2-甲氧基丙烯反应，在4-甲基苯磺酸吡啶的催化下，修饰上缩醛基团增加颗粒疏水性，得到AcetalDextran-AuNPs (“ADAs”)（图2D、E），以便封装入胶束中。

图2. AcetalDextran-AuNPs的合成与表征

随后，ADAs被封装进聚合物胶束中。将PEG-PCL与金颗粒在甲苯中被简单混合，在水中乳化并蒸发甲苯，驱动胶束自组装，离心得到146 nm的水溶性颗粒AcetalDextran-AuNP-Micelles (“ADAMs”)（图3）。

图3. AcetalDextran-AuNP-Micelles的合成


接下来，作者探究了ADAMs在酸性pH 5.0条件下能否发生疏水-亲水转变。ADAMs分别溶解在pH 7.4和pH 5.0的血清中（图4）。由于最外层PEG可使胶束全溶于血清中，但是重的金内核会在高速离心（16000 g, 10 min）后从溶液中分离出来。当胶束在37℃下混合24h后，pH 7.4中的仍有沉淀；而pH 5.0的体系中，沉淀已完全消失。这说明了酸性环境（pH 5.0）导致了葡聚糖上缩醛基团的水解，AuNPs由疏水性变为亲水性，胶束内核解散，释放出了Dextran-AuNPs。并且实验结果显示，AuNPs从胶束中的释放不需要胶束PEG-PCL的完全降解。

图4. ADAMs在血清中(0.04 mg mL−1 by Au, 1 mL)，37℃，快速搅动，
培育24h后，16000 g离心10 min
随后，作者还验证了ADAMs在生物体中的安全性、生物可降解性、药代动力学、生物分布。在肝细胞系HepG2中，当金浓度最低为10 μg mL−1时，细胞存活率达95%；金浓度高达80 μg mL−1时，仍有高于80%的存活率，说明了ADAMs良好的安全性与生物相容性。ADAMs与无pH响应的C12-AuNP-Micelles相比，在RAW 264.7小鼠巨噬细胞中以10 μg mL−1的浓度培育24h，ADAMs有了明显的胶束结构破坏和AuNPs分散，而C12-AuNP-Micelles仍保持原样，说明了ADAMs良好的生物可降解性。另外，实验表明ADAMs循环时间更长，半衰期为3.5h；ADAMs的生物分布与该尺寸的纳米粒子相同，起初大多数粒子积聚在肝和脾，但随时间延长金含量会大幅下跌，消除速率远高于其他文献报道过的非pH响应的金胶束。
综上，作者针对AuNPs的生理滞留性问题设计了pH响应的聚合物乙酰化葡聚糖，将其包覆在小粒径AuNPs上，封装入胶束中，所得ADAMs在pH 7.4下有高稳定性，在酸性条件pH 5.0和巨噬细胞中会发生快速降解。ADAMs有良好的生物相容性和血清药代动力学，在积聚部位肝和脾能有效清除。总之，该环境响应型的材料为金纳米结构的生物可降解性提供了一种有趣且有效的策略。

作者：WCQ   审校：WGQ

DOI: 10.1021/jacs.9b13813

Link: https://doi.org/10.1021/jacs.9b13813


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