巨型分子的拓扑结构对溶液自组装及抗癌药物递送的影响

作     者：叶祖山 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐雯

授予年度：2023年

学科分类：1007[医学-药学(可授医学、理学学位)] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 10[医学] 

主      题：巨型分子 多肽 拓扑效应 溶液自组装 药物递送 

摘      要：纳米粒子载药体系能够提高药物靶向性和降低药物的系统毒性,得到人们的广泛关注。两亲性高分子可在溶液中自组装形成纳米粒子,是一类重要的载药纳米粒子。然而,高分子固有的多分散性、以及高分子诱导机体产生的免疫反应等问题,限制了针对高分子纳米载体的“构效关系研究及其临床转化。巨型分子是一种新型的两亲性化合物,由亲水的纳米原子与疏水尾巴共价连接而成。相比于高分子,巨型分子具有精确的化学结构、单分散性、和按需定制的表面功能位点。基于笼型聚倍半硅氧烷（Polyhedral oligomeric silsesquioxane,POSS）的巨型分子,具有良好的生物相容性,在溶液中可通过调节分子结构和组装条件得到多样的组装体,在药物递送领域具有潜在的应用前景。本研究中,我们选用具有良好生物相容性的多肽与POSS构成巨型分子,通过调节多肽与POSS的连接位点,得到的产物互为拓扑异构体。我们研究了拓扑效应对巨型分子的溶液自组装行为的影响;并将其应用于抗癌药物递送,揭示了分子拓扑结构对药物递送效率的影响。我们首先利用固相多肽合成法结合点击化学,高效地成功合成了I型分子（I-POSS-L）与T型分子（T-POSS-L）。其中,含有4个亮氨酸（L）的多肽链作为疏水部分,而羧基修饰的POSS作为亲水头部。在水溶液中,I型分子比T型分子更容易聚集（临界聚集浓度9.35μM v.s.21.9μM）。利用溶剂诱导自组装策略,在DMF和水的混合溶剂中,I型分子倾向于通过分子插指排列组装成纳米纤维（平均宽度11 nm,平均厚度5 nm）,而T型分子倾向于组装成不规则纳米纤维（平均宽度29 nm,平均厚度23 nm）。组装结构上的差异可能与I型分子的组装体中更高的β-sheet含量有关。在p H=7的水中,组装体的形貌受到静电相互作用的影响更大,T型分子组装成球形纳米粒子（d～156 nm）,而I型分子则形成超薄的纳米纤维（厚度～1.4nm）。我们选择具有核-壳结构的组装体与抗癌药物（Doxorubicin,DOX）共组装,分别得到负载DOX的纳米纤维（I@DOX）和球形纳米粒子（T@DOX）。两种组装体的冻干粉末均能很好地分散在PBS中,并且尺寸变化较小。其中T@DOX比I@DOX具有更好的载药性能（载药量3.5%v.s.0.4%）。在细胞内吞实验中,两种载药纳米粒子均能在4 h内进入细胞,其中T@DOX展现了更好的溶酶体逃逸能力,以及药物靶向细胞核的能力。细胞毒性实验中,T@DOX的半抑制浓度（Half maximal inhibitory concentration,IC50）值（3.9μg/ml）低于I@DOX的IC50值（6.2μg/ml）,与T@DOX具有更好的溶酶体逃逸能力的结果相一致。本研究基于POSS与多肽的偶联物,通过高效的化学合成,得到了互为拓扑异构体的I型与T型巨型分子。受分子拓扑效应的影响,I型与T型巨型分子具有不同的溶液自组装行为,T型分子在药物递送中具有更高的载药量和药物递送效率。总之,本研究开发的多肽-POSS巨型分子具有良好的生物相容性,精确的化学结构,可形成稳定的纳米组装体;研究表明拓扑结构是调节巨型分子溶液组装及其药物递送性能的重要分子参数;本研究的多肽-POSS巨型分子可灵活调控多肽序列以及POSS表面的官能团,为药物递送领域提供了新的分子设计平台。