Biomacromolecules | 熵驱动的超分子开环聚合构筑血红蛋白-聚乙二醇交替共聚物
大家好，今天为大家分享一篇最近发表在Biomacromolecules上的文章，Entropy-Driven Supramolecular Ring-Opening Polymerization of a Cyclic Hemoglobin Monomer for Constructing a Hemoglobin−PEG Alternating Polymer with Structural Regularity。这篇文章的通讯作者是日本奈良医科大学化学系的Hiromi Sakai教授。
血红蛋白(Hb)是哺乳动物血液中含量最丰富的蛋白质，在氧气运输中起着重要作用。为了克服现有的输血相关问题，人们做出了很多尝试来分离并修饰血红蛋白分子来制造基于血红蛋白的氧载体(HBOCs)，以作为红细胞(RBC)的替代品。血液中游离的Hb具有较大的心血管毒性和肾毒性，因此人们开发出了脂质体包埋或者化学修饰等方法来降低Hb的毒性。但是目前利用化学修饰的方法仍然很难完全抑制Hb的毒性，例如利用戊二醛对Hb进行交联得到多聚Hbs时，仍会不可避免的得到分子量小于256 kDa的微量成分，这种低分子量的多聚血红蛋白是引起心血管毒性的主要成分。因此，开发高效聚合Hbs的方法是降低HBOCs心血管毒性的一种很有前景的策略。
Hb分子由两个α和两个β亚基(α2β2)组成，其中两个αβ亚基之间通过非共价的相互作用结合，在一定条件下可以发生解离。作者在之前的工作中发现，利用基于超分子化学的方法对Hb-PEG偶联物进行开环聚合，可以高效地合成线性交替的Hb-PEG聚合物。为了进一步提高聚合反应的效率，在本文中，作者研究了不同长度的PEG对开环聚合的影响。
图1. A) 利用两个β亚基上的Cys-93与不同长度双端马来酰亚胺PEG进行偶联合成不同大小的环状单体；B) 环状单体（CM）通过αβ亚基的可逆分子间交换进行超分子开环聚合（S-ROP）产生相应的超分子聚合物（SPs），聚合物和环状单体使用富马酸酯进行固定。
如图1所示，作者使用天然的Hb分子分别与分子量为2，5，10，20 kDa的双功能马来酰亚胺PEG反应合成了四种环尺寸的环状单体(CMs)。作者使用SEC、DLS、SDS-PAGE以及COP（胶体渗透压）对这四种环状单体的分子量和大小进行了表征。
CMs通过超分子开环聚合(S-ROP)平衡可逆地转化为相应的超分子Hb聚合物(SPs)，S-ROP的反应进度主要取决于初始单体浓度。随后，作者在反应体系中加入富马酸酯(DBBF)使两个β亚基中的Lys-82进行交联并固定，通过SEC曲线下的面积来评估平衡转化的百分比。其中对于CM-20，平衡时的聚合度可以大于10。作者在不同的初始单体浓度下，通过SEC曲线下面积积分计算得到了不同环单体的平衡单体浓度比例（图2）。随着初始单体浓度升高，平衡时环状单体的比例下降；在相同初始单体浓度下，较小的环在平衡时的单体浓度比例更高。根据图2可以计算出每种环的平衡单体浓度，CM-2，-5，-10，和-20的临界单体浓度分别为0.856，0.329，0.125，和0.063 mM。
图2. 平衡状态下，环状单体（CM）占反应体系的比例与初始单体浓度的关系
接着，作者对该体系进行了热力学研究。作者在不同温度下测量了平衡时的临界单体浓度，结果表明不同大小的环的临界单体浓度与温度几乎无关。但是不同大小的环的曲线截距有较大差异（图3），该结果表明环状单体的平衡聚合是熵驱动的。
图3. 不同环状单体平衡单体浓度与温度的关系
总的来说，在本文中作者对四种不同大小的Hb-PEG环状单体(CM)进行了超分子开环聚合(S-ROP)的研究。结果表明，使用较长的连接剂PEG-20K所得到的大环状单体CM-20具有更低的临界单体浓度，因此可以得到更高的聚合收率。热力学分析进一步明确了基于Hb-PEG的超分子开环聚合是熵驱动的。利用这种基于超分子聚合的技术，不仅可以生产出线型的Hb-PEG交替共聚物，而且还可能生产出具有结构规整的三维Hb体系，有望作为下一代HBOCs进入临床使用。
作者：ZHS 审校：LXY
DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00061
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00061