ACS Appl. Mater. Interfaces | 非离子水溶性聚（D/L-丝氨酸）：有望用于冷冻保存的生物医学聚合物
大家好，今天为大家分享一篇近期发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上的文章，Nonionic and Water-Soluble Poly(D/L‑serine) as a Promising Biomedical Polymer for Cryopreservation。这篇文章的通讯作者是清华大学材料学院先进材料重点实验室的孙玉玲博士，王建军博士，黄延宾副教授。
生物医学高分子已广泛用于药物递送，组织工程，医疗设备等领域，但是至今开发兼具水溶性、生物降解性和生物相容性的非离子聚合物仍然具有现实意义。例如，乳酸与乙醇酸的嵌段共聚物具有生物降解性和生物相容性，常被作为载药微球用于实现药物的持续释放，但是它水溶性较差，而且缺少侧链官能团，这限制了它在药物-聚合物结合物等方面的应用。另外，具有高度水溶性和生物相容性的聚乙二醇（PEG）则因不可降解而易导致潜在毒性。虽然水溶性多肽，如聚赖氨酸和聚谷氨酸，曾作为PEG的替代物被进行研究，但是由于它们具有正、负电荷，因此会被巨噬细胞的toll样受体和清道夫受体所识别，被免疫系统视为异物清除。基于以上几点，作者想要设计一种同时具有以下所有特性的新型聚合物：水溶性，生物降解性，非离子性，生物相容性以及具有可修饰的官能团。
作者通过排除法，将20种必需氨基酸中不含亲水基团(F, I, L, M, V, W, A, G, Y)，具有带电荷侧链(R, H, K, D, E)，长期储存过程中化学不稳定(N, Q)，明显有β-折叠倾向(T)，巯基易于交联(C)，含难以合成和修饰的环状结构(P)的总共19种氨基酸排除，最终选择L-丝氨酸作为研究单体。但是，纯聚（L-丝氨酸）固体中彼此强烈作用的β-折叠聚集体导致其不溶于水或常用的有机溶剂。于是，作者通过在主链上可控地引入D-丝氨酸使聚合物消旋，有效提高了聚丝氨酸的水溶性，而且聚（D/L-丝氨酸）还满足作者所理想生物医学高分子的全部性质。最近，血液需求量剧增，血液的冷冻保存已成为当务之急。具有良好水溶性，生物降解性和安全性的聚（D/L-丝氨酸）在红细胞（RBCs）冷冻保存方面有望解决分离冷冻保护剂的难题。
作者通过苄基保护的D/L-丝氨酸N-羧基环内酸酐（NCA）的无规共聚与脱保护合成了聚（D/L-丝氨酸），如图1所示。结果表明，不同投料比下得到的聚合物在水和DMSO中均具有良好的溶解性，使其能够被进一步官能化，如与药物缀合。
图1. 聚（D/L-丝氨酸）的合成路线
同时，圆二色光谱结果（图2）表明，聚合物中D、L-丝氨酸残基比例非常接近进料单体比例，因此可以通过改变聚合物主链中D、L单体的比例来有效控制聚（D/L-丝氨酸）的手性，使其在手性生物界面材料，手性液晶、生物膜以及微米或纳米尺寸的软物质带和管等领域能发挥至关重要的作用。
此外，蛋白酶对D-氨基酸的水解速率远低于其L对应物。图3显示了在存在Pronase E模型蛋白酶和不同D、L-丝氨酸进料比下，聚（D/L-丝氨酸）的降解动力学，结果证明降解速率随L-丝氨酸残基百分比的增加而增加。因此，可以通过改变聚合物主链中D、L单体的进料比例来控制聚（D/L-丝氨酸）的降解速率，从而实现其作为药物载体时可以调节药物的持续释放。除酶降解外，作者还研究了聚（D/L-丝氨酸）的水解动力学，结果表明在pH分别为7.4和5的PBS溶液中，其降解率远低于酶促降解速率，但高于正常的肽键水解速率，因此在pH为5（即溶酶体pH）的水解速率代表了体内聚（D/L-丝氨酸）降解速率的下限，并且聚合物最多在数月之内即可完全降解，从而避免了在组织中的长期积累。
除水溶性和可降解性外，作者还研究了聚（D/L-丝氨酸）的细胞毒性，如图4所示。结果表明不同投料比下所有的聚（D/L-丝氨酸）处理的细胞样品活力约为100%，代表其与PEG相似，被认为是无细胞毒性，并能被广泛应用于生物医学领域。
证明聚（D/L-丝氨酸）可以用作具有生物降解性和可修饰官能团的生物医学聚合物后，作者继续进行RBC冷冻保存实验以举例说明聚（D/L-丝氨酸）的潜在生物医学应用。作者使用“平板冷却”测定法证实聚（D/L-丝氨酸）IRI活性很弱，与PEG类似，如图5a所示。绵羊红细胞冷冻保存的实验表明，聚（D/L-丝氨酸）能显著提高解冻后的RBC回收率，如图5D所示。与亲水性聚合物（PEG，PVP和HES）相比，聚（D/L-丝氨酸）在保护细胞免受冰晶损害方面更有效，且RBC的形态和功能在冷冻保存后能够得以维持。
总之，作者合成了一系列聚（D/L-丝氨酸），它们具有水溶性，手性可控，生物降解可控，无细胞毒性的特性。通过将它们合并，聚（D/L-丝氨酸）将有希望成为生物医学领域的重要材料，并且可以直接用于RBC的冷冻保存且无需单独分离聚（D/L-丝氨酸）。此外，聚（D/L-丝氨酸）是非离子性的，且具有众多可以被进一步官能化羟基，可以作为PEG对潜在替代品之一。
作者：QJC 审校：WGQ
DOI: 10.1021/acsami.0c22308
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c22308