激活PEG载体以实现对纳米载体的空间可控表面功能化，从而应用于生物医学领域

《SCIENCE ADVANCES》：Activating PEG host to enable spatially controlled surface functionalization of nanocarriers for biomedical applications

纳米载体表面通过激活PEG冠层实现非共价结合，FRET验证显示高密度均匀分布，稳定性达40%以上。靶向分子（TPP、FA、HA、RGD、GFP）实现线粒体定位、FR介导内吞、整合素αvβ3介导内吞及细胞迁移促进。方法突破传统共价修饰局限，具有高效、稳定、普适性特点，适用于药物递送、生物材料开发。

　　表面功能化是纳米载体设计中的关键步骤，旨在赋予其特定的生物识别能力，以提高其在复杂生物环境中的靶向性和功能性。然而，传统方法在效率、分子分布均匀性和结构稳定性方面存在显著局限。为此，研究者提出了一种创新的策略，通过激活通常被认为不活跃的聚乙二醇（PEG）冠层，实现了对纳米载体表面的精准和可控功能化。这一突破性方法不仅提升了纳米载体的生物活性，还为纳米医学和生物材料领域带来了广泛的应用前景。

### 表面功能化的重要性

纳米载体因其独特的物理化学特性，在药物递送、诊断成像、疫苗开发以及微型医疗设备等领域展现出巨大的潜力。为了实现这些功能，纳米载体需要在其表面搭载特定的生物分子，如配体、抗体或酶等。这些分子通过与细胞膜上的受体相互作用，引导纳米载体精准地到达目标位置，从而提高治疗效果并减少对健康组织的副作用。然而，传统的功能化方法往往效率低下，导致功能分子的分布不均，影响其生物学活性。此外，这些方法可能破坏纳米载体的结构完整性，进而影响其在体内的行为。

### 传统方法的局限性

目前，纳米载体表面功能化的主流方法包括：（1）通过非共价或共价键将功能分子连接到预形成的纳米载体上；（2）利用端基功能化的嵌段共聚物进行自组装，将靶向分子结合在聚合物链的末端；（3）将生物功能单元直接引入聚合物主链中。尽管这些方法在一定程度上能够实现功能化，但它们往往存在以下问题：操作过程繁琐，功能分子的插入效率低，且可能对纳米载体的结构造成破坏。例如，共价连接通常需要使用反应性试剂或有机溶剂，这可能导致纳米载体的不稳定，甚至引发药物泄漏或改变其表面性质。此外，某些非共价方法对环境因素（如pH值和离子强度）敏感，导致功能化效果不稳定。

### PEG冠层的激活机制

聚乙二醇（PEG）是一种广泛应用的生物相容性材料，因其非免疫原性和水化能力而被广泛用于纳米载体的表面修饰。然而，近年来的研究发现，PEG的某些特性可以被调控，从而改变其在纳米载体表面的构象和行为。通过改变热历史，PEG冠层可以进入不同的能量状态，这可能影响其与周围环境的相互作用。更重要的是，研究发现，当PEG与疏水性表面（如石墨烯）接触时，会引发PEG的脱水现象，进而增强其与客体分子的结合能力。这一发现为开发一种新的功能化策略提供了理论基础。

### 本研究的核心策略

基于上述发现，本研究提出了一种“混搭”策略，通过将生物相关的吡啶衍生物（Py-Xs）插入到PEG冠层中，实现对纳米载体表面的高效功能化。这种策略的核心在于利用PEG与Py-Xs之间的强亲和力，使功能分子能够在不破坏纳米载体结构的前提下，稳定地附着在其表面。与传统的共价连接方法相比，这种方法无需复杂的化学反应，也避免了对纳米载体物理性质的干扰。此外，Py-Xs与PEG之间的非共价结合具有较高的环境稳定性，使其能够在不同的水性环境中保持活性。

### 实验设计与验证

为了验证这一策略的有效性，研究者合成了五种具有代表性的Py-Xs分子，并分别与不同类型的纳米载体（如聚乙二醇-聚丁二烯（PEG-b-PBD）形成的微米级聚合物囊泡）进行结合。通过共聚焦显微镜和荧光共振能量转移（FRET）技术，研究团队成功地观察到了Py-Xs在纳米载体表面的均匀分布，并进一步量化了其结合效率。实验结果显示，经过三次离心和重悬后，Py-Xs的保留率仍然保持在40%以上，表明该方法具有良好的稳定性和重复性。

此外，研究者还利用dSTORM-TIRF显微镜对不同尺寸的纳米载体（如超小聚meric纳米囊泡、PEG纳米凝胶和PEG化脂质囊泡）进行了可视化分析，确认了Py-Xs在这些载体上的成功插入。这一结果表明，该策略不仅适用于微米级纳米载体，也适用于更小的纳米颗粒，拓宽了其应用范围。

### 生物功能的实现

为了进一步验证该方法在生物学上的有效性，研究团队设计了一系列实验，评估了Py-Xs修饰的纳米载体在细胞中的行为。例如，通过Py-TPP修饰的纳米载体可以靶向线粒体，这是细胞能量代谢和凋亡调控的关键细胞器。实验发现，Py-TPP修饰的纳米载体能够显著提高在HeLa细胞中的线粒体靶向能力，且其结合效率与未修饰的纳米载体相比有明显提升。

同样，Py-FA（叶酸）修饰的纳米载体在肿瘤细胞中表现出增强的细胞内吞作用。研究者通过将HeLa细胞培养在缺乏叶酸的培养基中，诱导其叶酸受体（FR）的表达上调，从而验证了Py-FA修饰的纳米载体对FR的靶向能力。结果表明，Py-FA修饰的纳米载体在FR高表达的HeLa细胞中被显著内吞，而在缺乏FR的NIH/3T3细胞中则没有明显差异。

对于Py-HA（透明质酸）修饰的纳米载体，研究者评估了其对细胞迁移的促进作用。通过细胞划痕实验，发现Py-HA修饰的纳米载体能够显著增强SKOV-3细胞的迁移能力，其效果甚至优于游离的透明质酸。这一结果表明，Py-HA不仅能够有效结合到纳米载体表面，还能够激活细胞内的信号通路，从而促进细胞迁移。

此外，Py-RGD修饰的纳米载体通过与整合素αvβ3受体的结合，显著提高了其在HeLa细胞中的内吞效率。这一结果进一步证明了该方法在靶向不同细胞受体方面的广泛适用性。

### 优势与应用前景

与传统方法相比，本研究提出的新策略具有显著优势。首先，该方法操作简便，无需复杂的化学反应或高成本的试剂，降低了功能化过程的难度。其次，Py-Xs与PEG之间的结合具有较高的稳定性，能够在多种水性环境中保持活性，包括去离子水、磷酸盐缓冲液和细胞培养基。这使得该方法适用于不同的生物应用场景，如药物递送、生物成像和疫苗开发。

更重要的是，该方法能够实现对纳米载体表面的精准控制。通过调控Py-Xs的插入密度和分布，研究者可以定制纳米载体的功能，使其具备不同的生物学特性。例如，通过调节Py-TPP的浓度，可以调整其对线粒体的靶向能力；通过改变Py-FA的插入方式，可以优化其在肿瘤细胞中的内吞效率。这种灵活性为开发具有特定功能的纳米载体提供了新的思路。

### 潜在应用领域

这一策略在多个领域具有广阔的应用前景。在药物递送方面，Py-Xs修饰的纳米载体可以用于靶向特定的细胞器或细胞类型，从而提高药物的局部浓度并减少全身毒性。例如，Py-TPP修饰的纳米载体可以用于靶向线粒体，这在癌症治疗中具有重要意义，因为线粒体功能障碍与多种癌症的发生和发展密切相关。

在生物成像领域，Py-Xs修饰的纳米载体可以作为荧光探针，用于监测纳米载体在体内的分布和行为。通过调整Py-Xs的种类和数量，研究者可以设计出具有不同荧光特性的纳米载体，以满足不同的成像需求。

在疫苗开发中，Py-Xs修饰的纳米载体可以用于增强抗原呈递效率，提高免疫反应的强度。例如，Py-FA修饰的纳米载体可以靶向肿瘤细胞，提高疫苗在肿瘤部位的富集，从而增强其治疗效果。

### 结论与展望

综上所述，本研究提出了一种全新的纳米载体表面功能化策略，通过激活PEG冠层，实现了对生物分子的高效、可控插入。该方法不仅克服了传统方法在效率和稳定性方面的不足，还为纳米医学和生物材料的发展提供了新的工具。未来，研究者计划进一步优化Py-Xs的插入条件，以提高其在更复杂生物环境中的适应性。此外，他们还希望通过将该方法应用于其他类型的纳米载体，拓展其应用范围。这一策略的推广有望推动纳米医学的进一步发展，为精准医疗和个性化治疗提供强有力的支持。