第一作者：Jihyeon Yeom
通訊作者：Robert Langer、Ana Jaklenes
通訊單位：麻省理工學院
研究亮點
1. 創建D-手性藥物遞送系統（DDS），提高細胞膜結合親和力。
2. 開發了表面帶有D-氨基酸的DDS，以最大限度地減少與由L-氨基酸組成的酶的相互作用，防止酶清除，增加循環時間。
3. 將小的手性納米顆粒(NPs)組裝成超納米結構，此納米結構可分解并從循環系統中清除，同時增加藥物負載量和保留時間。
背景介紹：
手性在自然界中廣泛存在，賦予具有相同元素組成但不可疊加的材料的生物、化學、機械和光學性質的唯一性和特異性。由于生物系統中的手性特異性相互作用，一種對映體可以發揮重要的生物功能，而另一種對映體則無活性，甚至有毒。因此，分子手性一直被認為是藥物設計、藥理學、毒理學、藥代動力學和代謝的重要因素，大多數藥物是以具有生物活性和安全性的單一型對映體形成的。
與分子手性相比，超分子手性及其在生物學中的潛在作用尚未被充分探索。由于生物系統的功能通常與其物理結構密切相關，手性在納米醫學中也可發揮重要作用，因此在設計新的生物材料時值得考慮。大多數超分子生物分子，如脂質和多糖，可根據它們的手性改變其性質。手性超分子在體內的許多生理變化中起關鍵作用，其功能障礙可能導致癌癥、糖尿病和肥胖癥等疾病。
基于此，手性納米技術可以戰略性地應用于開發新的生物材料，而一些藥物遞送系統(DDS)也在類似于天然手性超生物分子的尺寸范圍。對于高效納米DDS，應該滿足以下要求：1)對生物表面(如細胞膜)具有有效的粘附性，2)抵抗酶消化以確保有效的血液循環，3)降解為小于4 nm的組分以實現腎臟清除，4)具有較高的載藥能力。
成果簡介：
有鑒于此，麻省理工學院Robert Langer和Ana Jaklenes研究團隊通過修飾將L-，D-或DL-半胱氨酸覆蓋在2-3 nm的氧化鈷納米顆粒表面，并將此納米顆粒組裝成手性超微粒（SPs）。此外，添加了二硫醇聚乙二醇(PEG)和PEG甲基醚，以驅動NPs之間的吸引和排斥競爭相互作用，用于控制SPs的自組裝和自終止。石英晶體微天平的耗散和等溫滴定量熱測量揭示了這些手性特異性相互作用的機制。從熱力學上看，與L-SPs相比，D-SPs對由磷脂和膽固醇組成的脂質層顯示出更穩定的粘附性。在體內，由于相反的手性，D-SPs表現出優異的穩定性和更長的生物半衰期，從而保護其免受來自內源性蛋白質(包括蛋白酶)的傷害。這項工作表明，將D-手性結合到納米系統中可以增強癌細胞的攝取，延長體內循環的穩定性，為生物材料中手性的重要性提供支持證據。
要點1：二硫醇PEG和PEG甲基醚的比例對SP的影響
由于鈷與PEG兩端的硫醇官能團之間的強結合，二硫醇PEG作為交聯劑可促進SP生長。PEG甲基醚在PEG聚合物的兩端都具有甲基和羥基，在構建基塊NPs之間提供略微排斥的相互作用。羥基對鈷也具有親和力，這導致甲基暴露在表面，甲基的微疏水性與具有吸引力的二硫醇PEG競爭。由于端基效應，當系統達到熱力學平衡時，SP生長終止。與PEG甲基醚相比，二硫醇PEG與PEG甲基醚以3：1的量進行合成時，所得產物是互連的鏈結構，而不是離散的SPs。當它們的比例為1：3時，獲得較小的、不規則形狀的SPs。這些結果表明，SP大小可通過兩種具有吸引力和排斥性的競爭聚合物的比例來控制。
圖1. 手性SPs的形成及表征
要點2：手性SPs與細胞間的相互作用
脂質是細胞膜的主要成分，且是手性的。該團隊評估了從人骨髓內皮細胞和乳腺癌細胞中提取的脂質的光學活性。來自兩種細胞系的脂質在大約270 nm處顯示正的CD信號，其中D-SPs具有較強的正信號，而L-SPs則相反。由于具有相同光學活性的結構之間的吸引相互作用比相反的光學異構結構之間的相互作用更強，推測D-SPs將比L-SPs更有效地與細胞膜相互作用。
為了了解SP和細胞之間手性特異性相互作用，使用流式細胞儀和共聚焦顯微鏡定性定量地評估了SP的內化。結果顯示，來自內化的D-SPs的熒光比L-SPs強3~4倍。石英晶體微天平的耗散實驗也證實了D-SPs與脂質體的親和力明顯強于L-SPs。
圖2. SPs的細胞內化
要點3：手性SPs的細胞毒性
為了確定SPs內化后的毒性，使用宮頸癌細胞、乳腺癌細胞、多發性骨髓瘤細胞和乳腺癌細胞進行細胞活性實驗。符合預期，D-SPs比L-和DL-SPs有更高的細胞毒性水平。為了確定存活率的降低是否通過凋亡途徑，對膜聯蛋白-異硫氰酸熒光素(FITC)和碘化丙啶(PI)雙染色細胞進行了熒光激活細胞分選器(FACS)分析。結果表明D-SPs誘導的細胞死亡主要通過線粒體膜損傷引起細胞凋亡。
圖3. 手性SPs的細胞活性和死亡機制
要點4：手性SPs的體內降解情況
控制DDS降解對于有效藥物輸送和腎臟清除非常重要。使用與SPs共價結合的近紅外熒光染料，評估了SPs在體內清除的情況。在30 min時，來自L-，D-和DL-SPs的熒光強度無統計學差異。2 h時，D-SPs清楚地顯示了在體內的長時間滯留，導致更廣泛的體內分布。24 h后，大部分L-SPs被排出，但仍有相當數量的D-SPs殘留。結果表明，NPs從體內的主要排泄途徑是通過腎或肝臟排泄到尿液和糞便中，這些過程主要受NPs大小的影響。當流體力學直徑小于5 nm時，納米顆粒顯示出快速有效的體內排泄。SPs的小鼠器官分布結果也表明，大部分剩余的SP被困在肝臟和腎臟。
圖4. 手性SPs在體內和體外的穩定性
小結：
此研究探索了納米結構的手性效應來控制與生物系統的相互作用。D-SPs對由脂質分子組成的細胞膜表現出更高的吸引力和粘附性相互作用，導致細胞內化增加3-4倍。將D-手性分子結合到納米系統中可以增強細胞攝取，延長體內循環穩定性，為手性在生物工程新材料中的重要性提供了支持。因此，手性納米系統在DDS、腫瘤檢測標記物、生物傳感器以及其它生物領域具有應用潛力。
參考文獻：
Jihyeon Yeom, Pedro P. G. Guimaraes, Hyo Min Ahn, et al. Chiral Supraparticles for Controllable Nanomedicine. Adv. Mater., 2019.
https://doi.org/10.1002/adma.201903878
