催化活性单链聚合物纳米粒子：探索其在复杂生物媒体中的功能
【介绍】
动态单链聚合物纳米粒子 (SCPN) 是一种迷人的生物传感结构，由单个聚合物链折叠或折叠成纳米大小的粒子形成。本文提供了动态 SCPN 在活细胞中的行为的详细生物物理研究，并评估了它们在这种复杂介质中的催化功能。研究人员首先开发了许多递送实验，允许将 SCPN 选择性地定位在不同的细胞区室中。活/死实验表明 SCPN 对细胞无毒，而光谱成像表明 SCPN 提供的结构屏蔽并减少了外部生物介质的影响。首先通过研究 SCPN 产生活性氧的潜力来评估其在生物介质中充当催化剂的能力。当卟啉与 SCPN 共价连接时，在光照下会产生单线态氧，从而诱导空间控制的细胞死亡。 此外，还制备了基于 Cu(I) 和 Pd(II) 的 SCPN，并在体外筛选了这些催化剂，并在细胞环境中研究了基于罗丹明的底物的氨基甲酸酯裂解反应。这是用于基于催化的癌症治疗的生物活性化合物（例如细胞毒药物）脱保护的模型反应。观察到脱保护速率取决于有机金属催化剂和保护基的性质。从体外到生物环境，速率降低，表明生物分子对催化剂性能有很大的影响。基于 Cu(I) 的 SCPN 与二甲基炔丙基氧羰基保护基的组合在体外和生物环境中均表现出最佳性能，使该组有望用于生物医学应用。
【成果介绍】
近日，埃因霍温理工大学和加泰罗尼亚生物研究所的 Anja RA 在《生物化学》杂志上发表了一篇题为“-Chain: Their in Media”的文章。文章介绍了 SCPN 在活细胞中的行为的生物物理研究，以及对其在复杂生物环境中催化性能的评估。SCPN 含有聚丙烯酰胺基骨架，骨架上官能化有 (i) 水溶性侧链（寡-(环氧乙烷-共-环氧丙烷)，DP = 22）以确保水溶性；(ii) 苯-1,3,5-三甲酰胺 (BTA) 超分子部分，以触发氢键诱导的聚合物折叠；(iii) 催化活性位点。首先评估和优化了递送策略，以针对不同的区室：细胞内空间、细胞质或细胞溶质区室和细胞外空间。这使研究人员能够根据所需的应用选择递送策略。 接下来，对在细胞环境中进行的两项活动进行了评估，实验结果令人鼓舞，为生物医学应用的体内催化铺平了道路。此外，对活细胞中 SCPN 行为的生物物理研究提供了关键信息，并将使基于催化的疗法改进纳米系统的合理设计成为可能。
【图片导览】
图 1 SCPN 设计
(A) 聚合物催化剂的一般结构、其折叠成 SCPN 以及其细胞递送。
(B) 本研究中使用的水溶性侧链、基于BTA的折叠基序、催化剂和底物的化学结构。
图 2 使用不同的方法对 HeLa 细胞进行 P1 型 SCPN 递送的共聚焦成像
(A) 在培养基中以高浓度（2.5 mg mL-1）给药 24 小时后，P1 通过内吞作用进行细胞内化，随后定位于溶酶体；
（B）通过电穿孔进行细胞内递送，随后 P1 进行细胞质定位。
（C）将 1.0 mg/mL 的 P1 应用于培养基，处理 3 小时后细胞外定位。
图 3 通过活/死试验测量 P1 的毒性
(A) SCPN内化后HeLa细胞的细胞活力；
（B）未经处理的细胞活力作为对照；
（C）电穿孔区域的成像。
（D）细胞活力的空间分布取决于与电极的距离。
图4 不同浓度P3基SCPN孵育24小时后HeLa细胞中单线态氧的光生情况
(A) 用不同浓度的 P3 处理的 HeLa 细胞的共聚焦成像显示出浓度依赖性吸收；
(B) 对用 P1（左）和 P3（右）处理的 HeLa 细胞进行活/死分析的共聚焦成像。
（C）在不同聚合物浓度以及紫外线照射时间为 30 秒和 150 秒的情况下量化细胞活力。
(D) 不同聚合物浓度对应的共聚焦活/死细胞分析。比例尺 = 50 μm。
图5 在HeLa细胞存在下使用SCPN基催化剂对受保护的罗丹明进行脱保护反应的结果
(A) 本研究中使用的底物 S1-S4 的化学结构。
(B、C) 在细胞培养基和 HeLa 细胞存在下，S2 (B) 和 S1 (C) 与 P2 Cu(I) 和 P1 Pd(II) 基 SCPN 的脱保护反应动力学曲线。
(D) MC-Rh 110 与不同催化剂、底物和对照反应 2 小时后荧光强度的直方图汇总。
图6 SCPN在复杂介质中48小时的脱保护反应动力学
(A、B) 在全细胞培养基（DMEM + 10% 血清）中存在或不存在 HeLa 细胞的情况下，Cu(I) 催化 S1(A) 和 P2@Pd(II) 催化 S2(B) 的去乙酰化。
(C、D) 与 SCPN 或单独金属复合物组成的基质一起孵育的 HeLa 细胞的成像。
【概括】
在这项工作中，研究人员展示了动态单链催化聚合物纳米粒子在生物环境中的活性的生物物理研究结果。SCPN，即使是那些含有过渡金属基催化剂的 SCPN，也表现出出色的生物相容性，并且对细胞没有明显的毒性。此外，有证据表明，动态 SCPN 为催化物种创造了一个相当稳定的环境。研究了两种评估在复杂生物介质中使用 SCPN 的可行性的策略。当基于卟啉的 SCPN 通过内吞作用引入细胞时，在光照下成功产生单线态氧并促进光诱导局部毒性。这使得这些 SCPN 在未来的光动力疗法应用中非常有用。此外，载有 Pd(II) 和 Cu(I) 的金属基 SCPN 显示出在细胞外空间有效脱除罗丹明的保护。 由于 SCPN 在合成生物学和治疗性生物材料领域的潜在应用，开发能够在活细胞中发挥功能的催化系统已成为近期研究的热点。然而，合理设计此类结构是一项巨大的化学挑战，主要是因为缺乏对催化系统在复杂生物环境中的行为及其结构-活性关系的了解。因此，本文介绍的生物物理研究揭示了 SCPN 在细胞环境中的行为，为合理设计能够在体内有效催化的纳米系统铺平了道路。
文献链接：-Chain:Their in Media（J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI:10.1021/jacs.）
本文由材料人编辑部高分子学术组投稿， Cow编辑。
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