基于BODIPY光笼的可注射水凝胶用于光控纳米颗粒释放

《Small》：BODIPY Photocage-Based Injectable Hydrogel for Light-Controlled Nanoparticle Release

　　

光控治疗剂释放在提高多种重大疾病治疗方案的患者依从性方面具有重要前景，并可有助于改善慢性疾病患者的生活质量。然而，光在组织中的穿透不足在很大程度上限制了光响应治疗策略在体内（in vivo）的应用。为规避这一限制，并使体系工作于光能够切实到达的组织深度，研究人员开发了一种可注射且可光降解的水凝胶，以实现皮下组织中的可控药物递送。本研究描述了一种水凝胶配方，其由携带叠氮基的双臂光笼与BCN封端的四臂聚乙二醇（PEG）组成。两种组分混合后，经由应变促进叠氮-炔环加成（SPAAC）在数分钟内发生凝胶化。两种凝胶前体在完全凝胶化之前均具有水溶性且黏度较低，因此预凝胶可通过23G针头轻松注射。通过绿色光照射，可对光笼的光裂解以及随后的凝胶降解进行精确控制。研究人员进一步证明，纳米颗粒能够成功包封于凝胶中，并随后实现光触发释放。完整操作流程已在离体（ex vivo）猪模型中得到验证，同时还在离体培养的健康人皮肤中评估了凝胶注射及降解的急性生物相容性。

该研究发表于《Small》，聚焦于光响应生物材料在浅表组织药物递送中的转化应用。研究背景在于，光作为一种非侵入性且具生物相容性的外部刺激，已广泛用于调控蛋白活化或抑制、转录翻译、细胞图案化及治疗剂释放等过程，但其体内应用长期受限于组织穿透深度不足。尽管近年来通过激活波长红移、生物相容性光电器件及内镜辅助手段等策略，光响应系统的应用边界有所扩展，但这些方案往往增加了体系复杂性，甚至需要外科干预，因而限制了临床可及性。相比之下，皮下给药具有成本低、操作简便、患者依从性高等优势；尤其皮下组织平均位于表皮下约2.1 mm，处于可见光可有效到达的范围，因此适合作为光控释放系统的应用场景。与此同时，水凝胶因其高含水、三维交联网络及可调机械化学性质，已成为药物控释的重要平台，但兼具可注射性、原位凝胶化、光降解和纳米载荷释放能力的体系仍较少见。基于此，研究人员设计并构建了一种基于BODIPY光笼（BPc）的可注射、可负载、可光降解水凝胶体系，旨在实现皮下组织中可由绿色光触发的纳米颗粒释放。

在技术方法上，研究主要采用以下关键策略：首先合成两种水凝胶前体，即含二叠氮基且具水溶性的BODIPY光笼交联体BPcSO₃与四臂BCN封端聚乙二醇PEG-BCN，并通过核磁共振（NMR）和质谱进行结构表征；其次利用流变学评估不同质量分数水凝胶的凝胶化动力学、储能模量与光降解行为，并结合紫外-可见吸收光谱（UV/Vis）与液相色谱-质谱（LC-MS）分析光裂解特征；再次，通过扫描电子显微镜（SEM）观察凝胶微观形貌，并以聚苯乙烯纳米颗粒（PSNP）和卵清蛋白（OVA）作为模型载荷研究包封与释放；最后，在离体猪皮下组织中验证注射与光降解可行性，并在来源于英国Charing Cross Hospital临床切除的健康人腹部皮肤离体外植体中评估注射可行性与急性生物相容性。

在结果部分，论文首先在“2.1 Synthesis and Characterization of the Gel Precursors”中介绍了凝胶前体的设计与合成。研究人员先制备了受张力炔基单体，并将其接枝到20 kDa四臂PEG-NH₂上，得到PEG-BCN，其官能化程度约为95%。另一方面，利用BODIPY骨架易修饰的特点，研究人员顺序引入两条叠氮PEG链用于SPAAC交联，并引入磺酰侧链提高水溶性，最终获得BPcSO₃。该前体可在PBS中以1 mM浓度溶解，说明其具备良好的水相加工适用性。所有关键中间体与最终产物均经NMR和质谱充分表征，为后续材料构建提供了明确化学基础。

在“2.2 Formation and Characterization of the Non-Loaded Hydrogels”中，研究人员系统考察了空载水凝胶的形成行为与力学性质。PEG-BCN与BPcSO₃可直接溶于PBS，无需有机溶剂，并通过SPAAC快速构建网络。1 wt%条件下未观察到凝胶形成，2 wt%开始出现凝胶化，交叉时间约为23.9 ± 2.1 min，储能模量G′为13 ± 2 Pa。随着质量分数提高，凝胶化速度加快且力学强度显著增强。4 wt%体系表现最佳，交叉时间仅为6.7 ± 0.7 min，G′达到1032 ± 276 Pa，兼具适宜注射窗口与足够成胶强度。SEM结果进一步显示，随浓度增加，凝胶网络变得更致密紧凑。流变学分析还表明，该体系在线性黏弹区内可稳定保持凝胶特性，而在更高应变下转向更类流体行为。细胞相容性实验提示，4 wt%凝胶在有无光照条件下均未显著影响人真皮成纤维细胞活性，因此被选为后续研究的标准配方。

在“2.3 Photodegradation Profile of the Non-Loaded Hydrogels”中，论文重点阐明了体系的光响应基础。UV/Vis结果表明，BPcSO₃在550 nm处具有强吸收，摩尔吸光系数为33 000 M^?1·cm^?1。在530 nm绿色LED照射下，其吸收峰随时间逐渐下降，并在415 nm处出现等吸收点，10 min内即可实现完全光脱笼。BPcSO₃的光脱笼量子产率为9.0 ± 0.3%，较参考BODIPY光笼高一个数量级，LC-MS结果亦证实了光裂解反应。进一步在流变仪原位光照装置中监测凝胶降解发现，4 wt%水凝胶在163 mW/cm²和555 mW/cm²照射下的光降解半衰期分别为5.1 ± 0.3 min和2.4 ± 0.3 min，说明凝胶降解速率可通过光强调控。宏观上，凝胶圆片在照光后经历类似“熔化”的过程并最终转变为粉红色液体。对照实验中，以PEG-diazide替代BPcSO₃制备的凝胶虽具有类似力学性能，但光照30 min后无降解迹象，证明BPcSO₃的可光裂解性质是快速光降解的决定性因素。研究人员还通过间歇照明实验显示，凝胶降解可随光开关精确启停，体现出优良的时空控制特性。

在“2.4 Encapsulation and Photo-Release of Nanoparticles and Proteins in the Hydrogels”中，研究人员考察了载荷包封与光释放性能。基于4 wt%凝胶网络估算孔径为64–83 nm，研究选用100 nm羧基化PSNP作为模型纳米颗粒。不同纳米颗粒装载比例下均能成功成胶，其中25%和50%体积分数复合凝胶的G′较大，而更高装载量因空间拥挤导致交联程度下降，力学强度减弱。应变扫描显示，含25%和50% PSNP的复合凝胶在高达100%应变下仍保持较宽线性黏弹区，表明刚性纳米颗粒增强了网络韧性。25% PSNP复合凝胶的SEM图像显示颗粒在网络中分布均匀致密，其凝胶化时间延长至9.0 ± 0.2 min，光降解半衰期增至6.0 ± 0.5 min。使用部分蓝色荧光标记PSNP后，研究人员在PBS中监测到光照诱导下纳米颗粒持续释放，而暗控仅有13.5 ± 5.9%的荧光增强，提示扩散泄漏很低，凝胶对100 nm颗粒具有较好的包封能力。对于较小的蛋白载荷OVA，虽然多数装载比例下仍可高效成胶，但其粒径约8 nm，远小于凝胶孔径，因此出现明显泄漏。OVA负载凝胶的G′整体低于低装载体系，凝胶化与光降解动力学较PSNP负载体系略慢，冻干后SEM可见蛋白聚集。该部分结果说明，该体系尤其适合释放尺寸高于凝胶网孔的纳米药物载体，而对小尺寸蛋白的阻滞能力有限。

在“2.5 Ex Vivo Demonstrations of Injectability and Degradation”中，研究人员进一步验证了材料在实际组织中的操作可行性。凝胶前混合液在完全凝胶化前具有较低黏度，可通过21G针头直接吸入注射器，并在注射器内放置约5 min后仍可顺利经21G或23G针头推出，所需注射力仅为1–3 N，说明具备良好临床操作性。随后，研究人员将两个100 μL凝胶注入离体猪皮下约5 mm深处，并对其中一个沉积点进行550 nm光照。经过60 min处理后，受照凝胶体积约缩小50%，颜色加深，取出后显示出明显降解迹象，而未照射样品保持相对完整，证明该体系可在组织环境中实现光触发降解。进一步在人离体健康腹部皮肤中进行真皮内注射，预凝胶注射过程无明显阻力，形成可见粉红色隆起，并在1周内逐渐消退。组织学评估显示未见残余凝胶、真皮胶原纤维超微结构扰动或急性毒性迹象，说明该体系在浅表人皮肤环境中具有良好的短期生物相容性。

讨论上，本文围绕浅表组织光控递送这一临床需求，建立了一个兼具水相快速成胶、低黏度注射、绿色光可控降解与纳米颗粒有效滞留释放的材料平台。研究结果表明，水溶性BPcSO₃不仅提供了高效可见光响应的光裂解位点，也促进了PBS中的快速交联与均一网络构建；SPAAC反应则避免了催化剂使用，提高了生物应用适配性。材料性能受载荷尺寸显著影响：当载荷尺寸大于凝胶孔径时，可获得低背景释放和有效光控释放；当载荷尺寸小于网孔时，则会产生明显渗漏。这一发现明确了该体系更适用于纳米颗粒或较大药物复合体，而非自由扩散型小蛋白。离体猪组织与人皮肤实验进一步支持其在皮下或浅表组织中的应用潜力，显示该体系具有向临床相关局部递送场景拓展的现实基础。

研究结论部分可译为：总之，研究人员开发了一种基于无催化点击化学（即SPAAC）的可注射、可光降解水凝胶配方，该体系由水溶性叠氮化BPcSO₃与BCN官能化PEG-BCN构成。即使在很低的质量分数下，凝胶化也可在数分钟内发生，且形成的凝胶能够发生精确的光控降解。原位成胶特性使该配方能够在完全凝胶化前被吸取并注射。该水凝胶系统可在成胶过程中包封纳米颗粒和蛋白，并可在BPc光裂解介导的网络降解后实现内容物光释放。尺寸大于凝胶网孔的PSNP载荷表现出极低的扩散释放，而更小的OVA则显示出明显的载荷渗漏。研究人员在离体猪模型中展示了该水凝胶配方用于皮下药物递送的潜力：预凝胶混合物可注射至猪皮下，并在原位继续成胶，随后可由绿色光触发光控降解。在人皮肤中的直接装载、注射和降解进一步凸显了该水凝胶体系在临床相关浅表组织中实现光调控治疗释放的前景。研究人员还设想，该配方可拓展应用于力学生物学（mechanobiology）、类器官（organoids）和组织工程（tissue engineering）等多个研究方向。