面向纳米医学的分子聚合物瓶刷（MPBs）：结构导向设计、生物传输与生物医学应用

《Aggregate》：Molecular Polymer Bottlebrushes for Nanomedicine: Structure-Guided Design, Biological Transport, and Biomedical Applications

　　

分子聚合物瓶刷（molecular polymer bottlebrushes, MPBs）是一类结构可编程大分子，其密集接枝侧链生成稳定的单分子架构，并具有可调结构特征。尽管MPBs在纳米医学（nanomedicine）中的兴趣不断增长，但其结构参数与生物性能之间的关系尚未得到系统整合。因此，本综述旨在建立一个以结构为中心的框架，将MPB架构与纳米医学中的生物行为和设计要求联系起来。研究人员首先总结MPBs的主要结构参数和主要合成策略，然后讨论尺寸与长径比（aspect ratio, AR）、刚度（stiffness）、接枝密度（grafting density, σ）、拓扑（topology）和表面化学（surface chemistry）如何影响其生物行为。在小分子药物与核酸递送、生物成像（bioimaging）和诊疗一体化（theranostics）中的代表性应用，说明了结构–行为关系如何转化为功能结果。研究人员进一步将可用证据整合为一个面向结果的设计框架，该框架考虑系统循环（systemic circulation）、组织进入（tissue access）、细胞相互作用（cellular interaction）、胞内释放（intracellular release）和清除（clearance）的阶段特异性要求。此外，部分瓶刷衍生纳米结构（bottlebrush-derived nanostructures）与单分子MPBs分开考虑。研究人员还讨论当前在可放大且可重复合成、降解性、长期安全性与清除以及计算辅助设计方面的挑战。总体而言，本综述为理解和设计适用于复杂生物环境的MPB基纳米医学平台提供了以结构为中心的视角。

1 引言
分子聚合物瓶刷（MPBs）是一类侧链共价接枝于主链的接枝聚合物，其分子身份不依赖于分子间自组装。在高接枝密度下，相邻侧链间的排除体积相互作用限制链构象自由，使主链由无规线团向伸展构象转变，并形成刷状结构。单分子MPBs可呈紧凑、棒状或蠕虫状，高度伸展时常见圆柱几何。与非共价组装载体如胶束、脂质体和球形聚合物纳米颗粒相比，MPBs具有更高的分子内结构组织性和几何可调性；其共价连接使结构身份在稀释后仍可保持，不依赖临界胶束浓度。纳米医学递送需穿越系统循环、生物界面、组织传输和细胞内化等多级屏障，每一步对尺寸、拓扑、刚度和表面化学要求不同。MPBs可精确调控长径比（AR）、横截面直径（D）、构象柔顺性、界面屏蔽和功能基团展示，因此可用于研究结构–体内行为关系并指导纳米医学设计。已有综述多聚焦合成、功能化和应用，但结构–生物行为关系仍不完整。

2 结构参数与合成策略
2.1 关键结构参数
MPB结构常由主链聚合度（DP_bb）、侧链聚合度（DP_sc）和接枝密度（σ）描述。DP_bb主要决定轮廓长度（L_c）并影响轴向长度（L_ax）。L_c为沿共价主链的弧长，对化学固定主链不随σ、溶剂或浓度改变；L_ax为构象依赖的长轴尺寸，可由原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等获得，并随主链拉伸、弯曲和构象重组变化。DP_sc主要决定D；良溶剂中密集侧链向外伸展。通常DP_bb大于DP_sc，利于伸长刷状结构。L_ax常为20–1000 nm，D常为5–50 nm。σ指每个主链重复单元平均侧链数，是区分MPB与稀疏梳形聚合物的重要参数；σ增加会增强分子内拥挤，限制侧链构象自由并提高主链伸展和构象刚性。
2.2 合成策略
MPB合成需窄分子量分布和精确接枝参数，常用原子转移自由基聚合（ATRP）、可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合和开环易位聚合（ROMP）。主要策略包括grafting-through、grafting-from和grafting-onto。grafting-through使用预合成大分子单体，σ可由结构定义，ROMP可缓解大分子单体聚合位阻，适合高密度、均匀侧链MPBs；但主链高聚合度困难，大分子单体转化不完全、黏度高且纯化难。grafting-from从预形成宏引发剂主链引发，适合长主链和高AR MPBs，但侧链不能预先完全表征，引发效率可能不均，并可能发生分子间偶联和残余催化剂问题。grafting-onto将预合成侧链偶联至主链，模块化强，适合安装配体、成像探针、药物、两性离子基团或响应基元；但高位阻限制高σ，常需过量侧链，纯化困难。三类策略可独立或组合使用。

3 结构与生物行为关系
3.1 尺寸与AR
MPBs具有轴向和横向尺寸差异，显微所得L_ax、D与散射所得流体力学直径含义不同。早期研究显示，较高AR的MPBs在Sprague-Dawley大鼠中血浆暴露降低、系统清除增加，并在肝、脾等单核吞噬细胞系统相关器官沉积。可生物降解MPBs可在维持隐形生物界面的同时调节尺寸和AR，聚赖氨酸主链/聚肌氨酸侧链MPBs在血清中稳定、非特异细胞结合低并延长斑马鱼胚胎循环，未见明显尺寸依赖，可能与肝发育阶段及侧链隐形性有关。肿瘤递送中，尺寸和AR效应呈阶段特异性：高AR MPBs仍可经EPR效应外渗，但清除更快、肝脾摄取更高；中等AR更利于致密肿瘤球内局部穿透。较长MPBs可增强细胞摄取，却降低三维球体穿透并缩短循环。脑肿瘤中，尺寸与递送性能呈非单调关系，约10 nm gPEG肿瘤积累最高且分布更均匀。黏膜屏障递送中，小D和高AR的蠕虫状PEG MPB有利于穿透黏液。核酸递送中，主链增长可增强pDNA转染和核内运输；阳离子含量增加至约67%–69%可提高转染，进一步增加无额外增益；主链增长还可提高mRNA封装和细胞摄取。
3.2 构象刚度
构象刚度指MPB主链抵抗弯曲和构象变形的能力，常以持久长度或Kuhn长度描述。MPB刚度受主链固有性质、侧链结构和溶剂相互作用影响。含聚（ε-己内酯）（PCL）核的MPBs呈更伸展、潜在更刚性的构象，在RAW264.7巨噬细胞中细胞关联无明显改变，但在大鼠中血浆清除更快、稳态分布容积更高、肝摄取增加，提示刚性影响系统清除而非仅巨噬细胞关联。含聚（甲基丙烯酸正丁酯）（PnBMA）核的MPBs在水中Kuhn长度约236和906 ?，刚性较高者细胞关联更强并倾向线粒体定位，说明构象刚度可改变细胞结合和亚细胞命运。
3.3 接枝密度
σ连接分子内拥挤、链构象和界面组织。可裂解纤维素基MPBs中，稀疏接枝使主链β-1,4-糖苷键更易接近，促进主链断裂；高σ则空间屏蔽主链并转向侧链-主链酯键断裂。PEG-OPA高接枝率MPBs蛋白和细胞黏附降低，RAW264.7关联较弱，小鼠24 h相对血药浓度较高；但该比较涉及连接化学和表面电荷差异。核心-壳MPBs中，较低σ有利于紫杉醇载药，较高σ减慢罗丹明B释放；最低σ制剂在U87和Caco-2细胞中摄取略高，并在U87球体中分布更深。然而DP_bb、侧链组成和尺寸也同时变化，因此生物差异尚不能完全归因于σ。
3.4 拓扑结构
MPBs可设计为线性、环状、星形和蝌蚪形等拓扑。线性MPBs与体积、组成和表面化学相近的球形聚合物纳米颗粒相比，细胞摄取和三维肿瘤球穿透更强，但球形颗粒血液循环更久、肿瘤血管外渗和肿瘤积累更高；线性MPBs更易被RAW264.7吞噬并清除更快。脑内皮模型中，MPBs表观渗透高于球形纳米颗粒，微血管芯片中更快逃逸至细胞外基质样水凝胶，但进入脑室途径和小鼠给药方式限制了跨完整血脑屏障解释。环状MPBs较线性MPBs细胞摄取低、非特异蛋白吸附更高、血液循环半衰期更短、肝脾积累更高、肿瘤积累更低；线性MPBs在球体中穿透更均一。环状刷聚合物还表现更强润滑性、位阻稳定性和疏水/亲水药物负载能力。
3.5 表面化学
密集接枝侧链形成连续多价界面。与PEG侧链相比，聚羧基甜菜碱（PCB）侧链MPBs细胞摄取更高、球体穿透更强、循环略长、肿瘤积累更高。PEO壳主要提供胶体稳定性，而核心组成和刷拓扑影响载药与释放。聚肌氨酸侧链可形成水化隐形界面，并可通过末端叠氮进行点击功能化。iRGD配体密度增加可增强高表达整合素αvβ3和neuropilin-1细胞的摄取、肿瘤积累和球体穿透，但血液半衰期略降。氟化聚甜菜碱MPBs可增强脑相关积累和内皮屏障转运。总体而言，MPB生物行为是多个结构参数耦合作用的结果，单一参数因果归因常受分子尺寸、构象、表面化学和界面性质混杂影响。

4 结构导向的生物医学应用
4.1 小分子药物与核酸递送
小分子药物可通过疏水核心包载、侧链偶联、前药设计或静电相互作用载入MPBs。酸敏感DOX偶联MPBs可保持伸长形貌并实现pH加速释放。纤维素基前药胶束通过调节长度改变循环、摄取、球体穿透和疗效，较短体系虽循环较短，但胞内释放、细胞摄取和肿瘤球穿透更优，最终抗肿瘤疗效更好。苯硼酸修饰DOX前药MPB可靶向唾液酸，提高肿瘤AUC，而血液消除半衰期与未靶向制剂相近。核酸递送方面，PEG基MPB–ASO偶联物pacDNA可空间保护ASO、降低非特异DNA–蛋白相互作用，改善血浆药代和肿瘤积累，并在KRAS驱动肺癌中抑制肿瘤生长；吸入型pacDNA可穿透气道黏液，实现肺部基因调控。阳离子MPB纳米佐剂递送CpG时，AR为2的体系增强淋巴结积累、抗原呈递细胞摄取和TLR9相关递送，联合HBsAg可在慢性乙肝小鼠中实现90%血清HBsAg清除。PEG化瓶刷偶联物还可向银屑病小鼠皮肤递送靶向IL-17受体A的ASO并减轻症状。
4.2 生物成像
MPBs共价单分子结构稳定，密集侧链可负载成像基元并调节局部环境。NIR-II染料IR1032共价接枝PEG化MPBs后水分散性良好，保持约1032 nm发射，水相量子产率0.13%，用于血微循环和深部肿瘤成像。荧光素功能化可注射荧光粘弹剂可用于眼科术中可视化和术后残留识别。MRI中，PEO-b-聚丙烯酸侧链MPBs可配位Gd³⁺，限制Gd³⁺运动并促进水交换；低AR制剂在3.0 T下纵向弛豫率达136.3 mM^?1·s^?1，高AR制剂淋巴滞留更久，AR约10者清晰淋巴对比可维持96 h。氧化还原响应双模态MPBs结合硝基氧自由基MRI和Cy5.5荧光，还原条件下MRI对比下降而荧光增强，实现微环境响应成像。
4.3 诊疗一体化
MPBs可共价整合成像和治疗功能。TRC105靶向CD105的MPBs负载DOX并通过⁶⁴Cu标记进行PET成像，靶向制剂在CD105阳性细胞和4T1肿瘤中摄取更高。IR780负载的球形、棒状和蠕虫状MPBs中，棒状制剂细胞摄取、球体穿透、肿瘤积累和光热抑瘤效果均较优。荧光共轭主链和还原敏感CPT连接的MPBs可实现FRET信号变化，用于监测药物释放，并在HepG2异种移植瘤中实现长达168 h肿瘤积累监测和约50%肿瘤抑制率。

5 面向结果的MPB纳米医学设计原则
MPB设计宜依据递送阶段的主要目标平衡结构参数，而非单一最大化。血清暴露和系统循环阶段需稳定、生物兼容界面，亲水侧链和足够σ有助于水化和减少非特异相互作用；但过度轴向延伸或高构象刚度可能降低系统滞留。组织定位后，小D、中等轴向延伸、构象适应性和有限非特异黏附有利于组织穿透，可接近的靶向配体促进受体介导识别和摄取。内化后，响应或可降解结构元件可促进胞内载荷释放和载体转化。未来需结合系统变化的MPB库与标准化理化及生物表征，以解析不同递送阶段中单一结构参数的作用。

6 MPB衍生纳米结构
MPB衍生体系应与单分子MPBs区分，其生物身份可能依赖分子间缔合、多组分组织或共价整合。两亲性瓶刷共聚物可自组装为纳米颗粒和二维纳米结构。PEG化瓶刷纳米颗粒具粗糙PEG表面，可延长循环、增强肿瘤积累和肿瘤细胞摄取，并改变血清蛋白冠组成。二维纳米盘可由两亲分子瓶刷二维堆积形成；蝌蚪状棒-线团瓶刷共聚物可自组装为核-壳纳米盘，经UV触发侧链自焚实现解组装和释放，酸性条件可加速降解和药物释放。MPBs还可作为形状持久模板制备内部区室化或具外部两性离子壳的聚合物纳米线。共价整合的brush-arm star polymers（BASPs）通过brush-first ROMP制备，可用于治疗递送、成像反馈和刺激响应解组装。

7 挑战与未来展望
7.1 精确合成与可放大生产
MPBs临床转化需可重复生产、有效纯化和严格杂质控制。放大过程中反应效率和纯化变化可能影响结构一致性。质量控制不仅需验证架构参数，还需评估残余催化剂、配体、链转移剂、未反应大分子单体和低分子杂质。可用尺寸排阻色谱-多角度光散射、NMR、质谱、元素分析、色谱杂质谱和显微形貌分析进行正交表征。连续流技术有望提高可放大性，已有自动化微流平台实现≥96 g/day且PDI<1.2，但其临床相关质量属性仍需系统评估。
7.2 降解性、免疫安全性与长期体内命运
高密度侧链可形成显著空间屏蔽，限制水、酶或生物组分接触主链，尤其对不可降解碳–碳主链MPBs，可能阻碍降解和清除。降解产物安全性取决于化学身份和生物活性，需评估细胞毒性、血液相容性、免疫原性和器官滞留，特别关注阳离子基团、疏水嵌段、氟化片段、芳香连接、残余催化剂或反应性端基。刺激响应MPBs降解动力学应与递送阶段匹配。长期安全性评估需包括重复给药、补体激活、细胞因子释放、抗聚合物抗体、血液学相容性、肝脾积累及完整MPBs和降解片段的时间依赖性清除。
7.3 计算建模辅助设计
MPB生物医学设计仍依赖经验优化，计算建模和机器学习可提高设计效率。除组成和拓扑外，可测量描述符包括DP_bb、DP_sc、σ、L_c、持久长度或Kuhn长度、分子量及分布、功能化度、AFM/TEM所得L_ax和D、DLS所得流体力学尺寸、zeta电位、表面水化、配体密度、载荷装载和释放、降解速率及产物谱、血清稳定性、循环半衰期、器官分布、组织穿透、细胞摄取、胞内运输和清除动力学。机器学习可整合这些描述符与生物终点，识别多维结构–性能–行为关系；需标准化数据集、独立批次或聚合物家族验证、不确定性估计及新合成MPBs的前瞻实验。