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  聚合物-蛋白質(zhì)雜化納米粒結(jié)合了聚合物和蛋白質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)遞送，生物傳感器以及蛋白質(zhì)純化等領(lǐng)域。然而，找到適合于聚合物和蛋白質(zhì)共組裝的溶劑是一個(gè)難點(diǎn)。具有最高臨界溶解溫度（UCST）的非離子型聚合物，在相轉(zhuǎn)變溫度（T_cp）上下通過聚合物間氫鍵作用會(huì)發(fā)生可逆變化，在T_cp以下可以形成水合凝聚相從而與親水性蛋白質(zhì)共組裝，有望成為在水相中實(shí)現(xiàn)聚合物-蛋白質(zhì)雜化的一個(gè)良好的選擇。聚丙烯酰胺（PAAm）是一種生物相容性聚合物，已廣泛應(yīng)用于干細(xì)胞移植，細(xì)胞粘附和藥物遞送系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，由于其質(zhì)子供體（-NH₂）活性較弱，其本身不能形成聚合物間氫鍵并且不能在水中表現(xiàn)出UCST行為，并且如何使其在較低濃度下獲得較高T_cp也是一個(gè)難點(diǎn)。近期，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所張明明副研究員與寧波大學(xué)趙傳壯教授聯(lián)合開發(fā)了一種反應(yīng)性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)，它不僅在低濃度下表現(xiàn)出較高的T_cp，而且具有良好的蛋白質(zhì)捕獲和共組裝能力（圖1）。

圖1. 反應(yīng)性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)及其與蛋白質(zhì)共組裝的示意圖

  研究者通過可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合法將丙烯酰胺（AAm）與N-丙烯酰氧基琥珀酰亞胺（NAS）進(jìn)行共聚，得益于NAS部分水解成丙烯酸（AAc），得到的共聚物P(AAm-co-NAS-co-AAc)表現(xiàn)出優(yōu)異的UCST行為。利用變溫紫外法以及微差示掃描量熱法研究其溫敏性（圖2），發(fā)現(xiàn)它在較低濃度下（0.1 wt%）可以達(dá)到較高的T_cp（81°C），并且產(chǎn)生了可觀測(cè)的熱焓，這在其他基于PAAm的UCST聚合物中很難實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)特征性歸因于NAS基團(tuán)為強(qiáng)質(zhì)子受體，AAc基團(tuán)為強(qiáng)質(zhì)子供體，而AAm基團(tuán)既是質(zhì)子供體也是質(zhì)子受體，三者的結(jié)合形成了強(qiáng)而穩(wěn)定的氫鍵。

圖2. P(AAm-co-NAS-co-AAc)的透過率曲線和微差示掃描量熱及其UCST機(jī)制示意圖

  接下來，研究者利用AAm與牛血清白蛋白（BSA）之間的氫鍵作用以及NAS與BSA之間的共價(jià)作用，實(shí)現(xiàn)了聚合物與蛋白質(zhì)的共組裝，制備了聚合物-牛血清白蛋白雜化納米粒子（PBNPs）。利用BSA與氨基熒光素（FA）間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)（FRET）效應(yīng)，檢測(cè)到BSA的熒光共振能量轉(zhuǎn)移到了FA標(biāo)記的聚合物上，表明BSA與聚合物發(fā)生了共組裝（圖3A），共組裝體呈球形結(jié)構(gòu)（AFM，圖3B），粒徑大約為33 nm（DLS，圖3C）。為了評(píng)估共組裝方法的通用性，又制備了聚合物-卵清蛋白（OVA）雜化納米粒子（PONPs）。與PBNPs體系類似，由FRET效應(yīng)、AFM和DLS結(jié)果（圖3D,E,F）表明聚合物對(duì)OVA也具有良好的共組裝能力。

圖3. P(AAm-co-NAS-co-AAc)聚合物與蛋白質(zhì)的共組裝

  進(jìn)一步，研究者探索了共組裝時(shí)間以及BSA/聚合物投料比對(duì)蛋白負(fù)載量（LC）的影響。如圖4所示，LC隨共組裝時(shí)間的延長(zhǎng)變化不大， 0.15 h即可達(dá)到飽和；LC隨BSA/聚合物投料比增加而增加。表明聚合物和BSA之間的共組裝發(fā)生迅速，且共組裝體中BSA的最高LC高于傳統(tǒng)方法制備的蛋白載體的LC（如：嵌入多孔載體或接枝在載體表面的方法）。并且，蛋白質(zhì)在組裝過程中能夠保持其二級(jí)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和生物活性。這意味著，本研究提供了一種有效的蛋白質(zhì)捕獲方法，有望用于多類蛋白遞送體系。

圖4. P(AAm-co-NAS-co-AAc)聚合物的蛋白質(zhì)負(fù)載量隨共組裝時(shí)間及BSA/聚合物比例的變化

  該研究開發(fā)了一種新型反應(yīng)性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)，得益于其擁有的強(qiáng)而穩(wěn)定的氫鍵及溫和快速的反應(yīng)性，聚合物表現(xiàn)出：1. 優(yōu)異的UCST性能，0.1 wt%濃度下實(shí)現(xiàn)高達(dá)81°C的T_cp；2. 快速捕獲蛋白質(zhì)的能力，且不改變蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)和生物活性。該研究提供了一種簡(jiǎn)單溫和的策略使聚合物與蛋白質(zhì)可以直接在水中發(fā)生雜化共組裝，有望拓展其在生物傳感、蛋白質(zhì)/疫苗遞送系統(tǒng)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Biomacromolecules 上。論文的第一作者為中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所碩士研究生孫佳琳，通訊作者為中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所張明明副研究員及寧波大學(xué)趙傳壯教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)22075154和31770968），天津市杰出青年基金（編號(hào)18JCJQJC48100）的支持。