活性氧引发二乙炔脂肽在活细胞内的原位聚合

近年来，活细胞内原位聚合由于具有高细胞内化效率和延长药物滞留时间特性而备受关注。为了实现细胞内聚合，单体必须具有优异的生物相容性，而且由于聚合反应在细胞内微环境中进行，所以细胞内的生物分子不能阻止聚合反应的进行。此外，由于细胞内环境的复杂性，细胞内原位聚合反应往往需要外源刺激引发，限制了其在体内的应用。目前，原位聚合过程仍缺乏可视化追踪以及对细胞功能的影响机制尚不明确，进一步限制了原位聚合策略在生物医学领域的应用。

近日，华中科技大学朱锦涛教授和蒋皓副研究员等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文，设计了一种能够在细胞内微环境刺激下发生原位聚合的阳离子型二乙炔脂肽（Y-DLPA1）。该脂肽在原位聚合前后表现出荧光开关性质，能够原位可视化追踪细胞内的聚合过程。更为重要的是，Y-DLPA1原位聚合不但降低了肿瘤细胞的运动能力，而且诱导肿瘤细胞发生凋亡，为抑制肿瘤转移和操纵肿瘤细胞凋亡提供了新的可能性。

为了研究二乙炔脂肽电荷性质对其原位聚合行为的影响，研究人员设计了三个具有不同电荷性质的Y-DLPAs，即脂肽亲水部分是带不同电荷的氨基酸序列，疏水部分均为10,12-二十三碳二炔酸（TCDA）。通常，二乙炔单体在诸如紫外辐照、高温高压作用下发生拓扑聚合得到线性共轭的聚二乙炔（PDAs），而且PDAs在外界刺激下会发生由非荧光蓝相到荧光红相的转变。因此，研究人员系统地研究了静电相互作用对Y-DLPAs在水溶液中的自组装和紫外光辐照聚合以及细胞内聚合行为的影响。有趣的是，三种脂肽在水溶液和活细胞内表现出完全相反的聚合行为。带正电荷的Y-DLPA1在pH为7.4的水溶液中无法利用紫外辐照聚合，但与细胞共孵育后，即使不施加紫外辐照，在细胞内仍能观察到红色荧光，表明Y-DLPA1在细胞内经原位聚合生成了PDA。进一步通过提高H₂O₂浓度和负载光敏剂Ce6实验证实了细胞内微环境中的活性氧可引发原位聚合。作为对照组，具有类似分子拓扑结构的两性离子型Y-DLPA2和负电荷型Y-DLPA3在水溶液中能够发生紫外光辐照聚合，而在细胞内微环境中无法聚合。尤为重要的是，聚合后的Y-DLPA1具有红色荧光，实现了原位可视化追踪细胞内的聚合过程。此外，通过细胞迁移实验证实Y-DLPA1聚合后增加了细胞黏度，降低了细胞运动能力。最后，通过细胞毒性、细胞凋亡实验证实Y-DLPA1的原位聚合反应能够诱导肿瘤细胞发生凋亡。

综上，作者报道了一种阳离子型二乙炔脂肽利用内源刺激在活细胞内进行聚合的新策略。与以往的方法不同，该聚合方法无需外源刺激，且聚合后的红色荧光特性为实时追踪聚合进程提供了一个标记细胞的平台。通过简单地利用细胞内微环境来启动和维持，为细胞内聚合领域拓展了新的研究方向。尤为重要的是，所获得的PDA聚合物对肿瘤细胞的生物学行为会产生严重影响，为新型抗肿瘤药物的设计提供了一种新的思路。 

华中科技大学化学与化工学院朱锦涛教授和蒋皓副研究员为论文的共同通讯作者，2019级硕士研究生吕念念为论文的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研专项资金的资助。

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Lv N., Ma T., Qin H. et al. ROS-initiated in-situ polymerization of diacetylene-containing lipidated peptide amphiphile in living cells. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2008-1