用于温和氧化还原触发化疗的三重响应半胱氨酸交联微凝胶的微流控工程

《Biomaterials Advances》：Microfluidic engineering of triple-responsive cystine-crosslinked microgels for mild-redox-triggered chemotherapy

刺激响应性微凝胶在肿瘤靶向化疗中的应用，通过DACS交联剂实现微流控合成，具有pH、离子强度和氧化还原三响应特性，在低浓度谷胱甘肽下高效释放多柔比星，并展现良好的细胞选择性。

　　这项研究介绍了一种新型的水溶性、氧化还原响应型交联剂——N,N′-二丙烯酰基-L-半胱氨酸二钠盐（DACS），用于微流控合成单分散的聚丙烯酰胺微凝胶。通过使用两种不同尺寸的流聚焦芯片（100×100 μm 和 24×24 μm），研究人员成功制备了两种微凝胶群体，其平均直径分别为约 412 μm（μG100）和约 82 μm（μG24）。这两种微凝胶在合成过程中实现了药物（多柔比星，DOX）的封装，其封装效率分别达到 98% 和 87%。这一成果不仅提升了微凝胶的制造效率，还为药物的可控释放提供了新的可能性。

与传统的氧化还原敏感型药物载体不同，许多现有系统依赖于溶解性差的二硫键交联剂，并且需要细胞内高浓度的谷胱甘肽（GSH，≥10 mM）才能触发药物释放。而本研究中开发的 DACS 交联剂能够在较低的 GSH 浓度下实现药物释放，例如在肿瘤相关的条件下，仅需 100 μM 的 GSH 即可实现显著的药物释放，而 10 mM 的 GSH 则会导致整个网络结构完全分解。这种特性使得 DACS 交联剂在肿瘤微环境中的应用更具优势，因为它能够降低激活阈值，提高对较弱刺激的响应能力。

此外，DACS 交联的微凝胶具有三重响应性：它们能够随着 pH 值的升高而膨胀，随着离子强度的增加而收缩，并且在氧化还原条件下发生降解。这种多重响应特性使得微凝胶在特定环境下能够实现对药物的精准释放，同时保持良好的物理化学稳定性。实验结果显示，这些微凝胶在 pH 7.4 的条件下能够稳定存在 90 天，表明其在生理环境中的稳定性较高。在体外实验中，未负载药物的微凝胶对正常细胞（如 WJ 细胞和 MCF-7 细胞）没有细胞毒性，而负载 DOX 的微凝胶则表现出显著的抗肿瘤活性，且对正常细胞的影响较小。

在细胞毒性方面，研究发现 DOX 负载的微凝胶对癌细胞的杀伤效果比游离 DOX 更加显著，同时对正常细胞的毒性降低。这种选择性作用可能是由于微凝胶的结构特性，例如其表面电荷和尺寸，使得 DOX 更容易在肿瘤细胞内释放。同时，体外实验还表明，微凝胶的尺寸对其性能有重要影响：μG100 对 MCF-7 细胞表现出更强的杀伤力，而 μG24 则在 WJ 细胞中提供了更宽的安全范围。这表明，通过调整微凝胶的尺寸，可以更好地平衡药物的疗效与对健康细胞的保护，为局部化疗提供更加精准的工具。

微流控合成方法在本研究中发挥了关键作用。传统的微凝胶合成方法如乳液聚合或沉淀聚合往往存在尺寸分布不均、批次间差异较大以及对微凝胶结构控制不足等问题。而微流控技术能够实现高度单分散的微凝胶合成，同时控制其形态、组成和尺寸。在本研究中，研究人员利用流聚焦芯片，将聚合交联、药物封装和结构形成过程同时进行，从而提高了微凝胶的制造效率和一致性。这种单步制造策略不仅简化了流程，还减少了对后续处理的依赖，使药物载体的制备更加高效。

在微流控合成过程中，研究人员采用了两种不同的芯片结构，分别用于制备不同尺寸的微凝胶。这种策略使得研究人员能够系统地研究微凝胶尺寸与其功能特性之间的关系。通过调整芯片的尺寸和参数，研究人员能够控制微凝胶的大小和形状，从而优化其在不同环境下的响应性能。同时，DACS 交联剂的水溶性使其在微流控环境中易于使用，这为大规模生产提供了便利。

本研究还强调了 DACS 交联剂在微凝胶合成中的独特优势。与常用的二硫键交联剂（如 BAC）相比，DACS 具有更好的水溶性，这使其在微流控环境中更具应用前景。此外，DACS 的分子结构中含有羧基，这些基团不仅增强了微凝胶对 pH 和离子强度的敏感性，还可能通过静电相互作用促进 DOX 的封装。这种化学结构的设计使得微凝胶在合成过程中能够实现药物的高效负载，同时保持其响应性。

研究团队在实验中对 DACS 交联的微凝胶进行了全面的表征，包括其对 pH 和离子强度的响应性、物理化学稳定性、GSH 诱导的降解行为、DOX 的释放曲线以及对健康和癌细胞的细胞毒性。这些数据表明，DACS 交联的微凝胶不仅具有良好的药物释放性能，还能够选择性地对癌细胞产生毒性，同时减少对健康细胞的影响。这种特性使得 DACS 交联的微凝胶在局部化疗中具有重要的应用潜力。

本研究的成果为开发新型的生物可降解微凝胶提供了一种创新的方法。传统的微凝胶通常依赖于不易溶于水的二硫键交联剂，这限制了其在水性环境中的应用。而 DACS 交联剂的水溶性使其能够更好地适应微流控合成的需求，同时提供更广泛的环境响应性。这种交联剂的设计不仅提升了微凝胶的性能，还为未来在局部化疗和其他生物医学应用中提供了新的思路。

在实际应用中，DACS 交联的微凝胶不仅可以用于化疗药物的释放，还可能被用于其他生物医学领域的药物输送。例如，由于其良好的物理化学特性和对局部环境的响应能力，这些微凝胶可能被用于蛋白质或其他大分子的输送，甚至用于细胞的输送。这种扩展性使得 DACS 交联的微凝胶在生物医学应用中具有更广泛的可能性。

本研究的成果还表明，微流控技术在药物载体的合成中具有重要的应用价值。通过精确控制芯片的尺寸和参数，研究人员能够实现对微凝胶大小和形状的调控，从而优化其性能。这种技术不仅提高了药物载体的制造效率，还为药物的精准释放提供了新的可能性。未来，随着微流控技术的不断发展，这种单步制造策略可能被进一步优化，以适应更多复杂的药物输送需求。

综上所述，这项研究通过引入 DACS 交联剂，成功开发了一种具有三重响应性的微凝胶系统，能够在较低的 GSH 浓度下实现药物释放，同时保持良好的物理化学稳定性和对健康细胞的保护。这种新型的微凝胶不仅为局部化疗提供了更加精准的工具，还可能被用于其他生物医学应用，为未来的药物输送系统提供了新的思路。