用于可控治疗递送的具有 pH 响应门控的仿生聚合物 - 脂质杂化纳米平台

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Bioinspired Polymer-Lipid Hybrid Nanoplatform with pH-Responsive Gating for Controlled Therapeutic Delivery

　　

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  开发了新型的 pH 响应型聚合物 - 脂质混合囊泡。
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  PC7A 通过聚合物 - 脂质共组装稳定了脂质膜。
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  酸性 pH 触发了囊泡解组装和货物释放。
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  PC7ALVs 在酸性 pH 下增强了 FAM-OVA 摄取和细胞毒性。

引言

刺激响应型纳米载体已成为先进药物递送的重要工具，能够根据生物信号精确控制药物释放的时间和地点[1]。这些系统在癌症治疗²、基因治疗 [3] 和精准医学 [4] 中尤其具有价值。在各种研究过的触发因素中，pH 梯度因其可靠性及其在临床环境中的相关性而脱颖而出。肿瘤组织和某些细胞区室具有独特的酸性环境。因此，pH 响应型纳米载体在药物递送方面引起了广泛关注，其中一些系统采用可编程尺寸变化来实现靶向肿瘤治疗和成像应用。因此，pH 响应型纳米载体被广泛探索用于药物递送以及构建合成系统，如人造细胞器和可编程治疗设备 [5], [6], [7]。

早期设计 pH 响应型药物递送系统的方法主要依赖单一组分材料，如聚合物 [8]、脂质 [9] 和多肽 [10]。这些材料在特定 pH 值下发生质子化和去质子化时会产生结构变化。然而，每种材料都有其自身的缺点。聚合物具有优异的化学多样性和机械强度，但在膜蛋白相互作用方面可能带来更大的挑战，通常需要修改蛋白或膜。相比之下，脂质天然支持膜蛋白功能；然而，它们的机械稳定性不如聚合物¹¹。基于多肽的系统也面临与稳定性、成本和大规模生产相关的挑战 [12]。为了克服这些局限性，研究人员开始关注混合系统 [13], [14], [15], [16], [17]，这些系统结合不同材料以提高稳定性、功能和响应性。

混合系统的一个常见例子是将 pH 敏感 GALA 多肽掺入脂质膜中，它们会发生 pH 触发的折叠和构象变化 [18]。然而，在实际应用中存在局限性：多肽生产成本高，纯化和放大困难，并且易受酶降解 [19]。此外，GALA 多肽主要被设计为响应内体的酸性条件（约 pH 5-5.5），在这些条件下它们采用α-螺旋的破坏膜构象 [20]。因此，它们在弱酸性环境中通常表现出活性降低，例如肿瘤微环境（通常 pH 6.0 - 6.8）²¹。总体而言，还存在关于多肽和脂质相互作用引起的免疫反应和膜不稳定性的担忧 [22], [23]。鉴于这些局限性，需要更稳定、可调节且易于大规模生产的纳米载体平台。

聚合物 - 脂质混合囊泡是癌症和基因治疗的前景平台，因为它们提供了生物相容性、结构稳定性、可调节的响应性和封装多种治疗货物的能力。然而，大多数现有的聚合物 - 脂质混合设计受到复杂的配方工艺、批间变异性和大规模制造挑战的限制。它们的结构复杂性也可能导致储存期间的物理不稳定性、脂质和聚合物组分之间的潜在不相容性，以及关于安全性和免疫原性的担忧 [17], [24]。

pH 响应型含杂环胺聚合物家族，如 poly(2-hexamethyleneiminoethyl methacrylate) (PC7A) 及其同系物 (PCnA，其中 n 表示碳原子数)，提供了一个通用平台，可以通过环烷基侧链长度的结构变化来精细调节生物相关环境中的 pH 响应性 [25], [26]。特别是，PC7A 因其 C7A 基团的 pKa 为 6.9 而对癌症治疗具有吸引力，这非常适合弱酸性肿瘤微环境 [27]。此外，我们之前的研究表明，当与肿瘤抗原共同递送时，PC7A 具有强大的佐剂活性，显著增强了抗体产生、细胞因子分泌和细胞毒性 T 细胞反应 [28]。因此，将 PC7A 或其同系物掺入脂质双层中，可以产生一系列具有可调节门控行为的混合脂质囊泡，能够精确响应不同的生理 pH 条件。

pH 响应型混合囊泡系统的一个关键问题是结构如何调节货物释放。在某些情况下，认为质子化会在膜内产生临时缺陷或孔状开口，而整体囊泡结构保持完整 [29], [30]。在其他情况下，货物释放通过诸如双层流动性增加、聚合物溶胀或降解、脂质重排或载体的部分或完全解组装等变化发生。这些机制可能重叠，其相对贡献取决于聚合物浓度、脂质组成、pH、暴露时间和货物特性等因素。为了区分局部膜运输与整体不稳定，重要的是使用结构、渗透性和动力学测量的组合 [31], [32], [33]。

因此，本研究旨在开发一种包含膜相关 PC7A 结构域的聚合物 - 脂质混合囊泡¹⁶，并研究聚合物掺入如何影响囊泡结构、膜有序性、pH 驱动的变化、货物释放、细胞摄取和体外毒性。我们假设疏水 PC7A 结构域将在生理 pH 条件下稳定脂质膜，而在弱酸性条件下的质子化将削弱聚合物 - 脂质相互作用，从而增加膜渗透性。这项工作提供了概念验证，表明 PC7A 掺入可以实现可控的 pH 响应门控行为，以及生物系统中的货物运输。我们的主要目标是确定将 PC7A 作为膜相关聚合物掺入是否能提供可调节的、pH 依赖的聚合物 - 脂质关联、膜组织和货物释放控制。

在此，我们通过将 PC7A 掺入 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) 膜中，开发了一种 pH 响应型聚合物 - 脂质混合纳米囊泡，称为 P_C7ALV。在生理 pH (7.4) 下，疏水、去质子化的 PC7A 链自组装并插入脂质膜中，充当分子门，同时稳定混合囊泡。相比之下，在酸性 pH 条件（低于 pH 6.9）下，P_C7ALV 中的 PC7A 片段的叔胺高度质子化，使聚合物带正电、水溶性且主要为单体。因此，PC7A 分子门解组装，导致更松散且渗透性更强的膜，从而有助于药物释放，而脂质膜部分保持结构完整。膜特性的刺激控制调节以及通过门进行的相应跨膜货物运输重现了生物膜调节的关键特征。考虑到 PC7A 聚合物还表现出 STING 激动活性，P_C7ALV 在推进下一代精准纳米医学以实现更有效的癌症治疗方面具有巨大潜力。

章节摘要

pH 响应型混合囊泡 P_C7ALV 的表征

PC7A 聚合物是通过可逆加成 - 断裂链转移 (RAFT) 聚合合成的，使用 2-六亚甲基亚氨基乙基甲基丙烯酸酯 (C7A) 作为单体，偶氮二异丁腈 (AIBN) 作为引发剂。可电离的 PC7A 包含每个重复单元中的一个叔胺（补充方案 S1 和 S2）。在低 pH 下，PC7A 聚合物的胺基高度质子化，导致其作为阳离子单聚体溶解在水中（图 1a，右侧）。随着 pH 值的升高，

讨论

这项工作提出了一种通用且机制明确的策略，用于工程化脂质/聚合物混合囊泡 (P_C7ALVs)，其中 pH 响应型聚合物 PC7A 作为嵌入脂质双层内的分子门。这种设计代表了生物材料工程的概念性进步，将 PC7A 从自组装纳米颗粒载体材料重新利用为刺激响应型膜集成组件。之前的 PC7A 系统主要依赖聚合物胶束

结论

本研究引入了一种简单且通用的设计原理，用于构建聚合物 - 脂质混合囊泡，即将可电离聚合物直接嵌入膜内作为分子门，而不是依赖外部表面修饰或基于偶联的方法。这种简化的、膜集成策略能够实现结构稳定系统的形成，具有可调节的 pH 响应性，同时耦联受控货物释放与潜力

作者贡献

M.Z. 和 M.R. 设计了研究。M.R.、N.K. 和 A.H. 进行了实验，收集并分析了数据。M.Z. 和 M.R. 撰写了文章，M.Z.、N.K.、A.H. 和 M.R. 审查并编辑了它。

CRediT 作者贡献声明

Md. Mofizur Rahman: 写作 – 审查和编辑，写作 – 初稿，方法论，调查，数据整理。 Nishant Kumar: 方法论。 Amin Haghighat Naeini: 写作 – 审查和编辑，调查，数据整理。 Ming Zhao: 写作 – 审查和编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。

未引用的参考文献

[2], [11], [21]。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本文报道的工作。

致谢

这项研究由堪萨斯大学和 KU 癌症中心启动基金资助 (M.Z.)。

Md.Mofizur Rahman|Amin Haghighat Naeini|Nishant Kumar|Ming Zhao