糖基綠色功能材料自組裝及性能研究

豆偉濤,徐 林,楊海波

（華東師范大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院 上海市綠色化學(xué)與化工過程綠色化重點實驗室,上海 200062）

0 引 言

隨著對生物體內(nèi)多種物質(zhì)間的相互作用進行深入研究,人們逐漸發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)不可逆的共價鍵相比,可逆的弱非共價作用具有動態(tài)性,是生物體內(nèi)物質(zhì)間相互作用的基礎(chǔ),如DNA雙螺旋的形成、蛋白質(zhì)的正確折疊、抗體與抗原的識別等[1–3].超分子化學(xué)則是以非共價作用為基礎(chǔ)發(fā)展而來,逐漸由最

初的冠醚與金屬的絡(luò)合,發(fā)展到有機大環(huán)的“主客體”識別以及分子機器等.1987年,諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給C J Pederson、D J Cram和J M Lehn這3位科學(xué)家,以表彰他們在超分子化學(xué)方面的開創(chuàng)性工作.自此,基于非共價作用的超分子領(lǐng)域得到了快速發(fā)展,通過配體間的定向、可控、分層次、級聯(lián)超分子組裝可使得材料同時具備多種功能[4–6],已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域,如傳感器構(gòu)建、藥物載送、疾病診療等[7–10].

糖作為生物體內(nèi)重要的信號分子,不僅廣泛參與和調(diào)控著重要的生理和病理性過程,如細(xì)胞粘附、細(xì)胞間信號傳遞、癌細(xì)胞遷移和病原體入侵等,還作為生命體內(nèi)構(gòu)成生物大分子重要的結(jié)構(gòu)單元,與蛋白質(zhì)、DNA、RNA、脂類和萜類一起形成復(fù)雜的生物體網(wǎng)絡(luò)[11-12].糖與受體間的識別依賴于多價態(tài)的氫鍵相互作用[13-14].例如,具有四聚體結(jié)構(gòu)的植物凝集素刀豆蛋白A(concanavalin A,ConA)可與四分子的底物單糖進行識別[15],脫唾液酸糖蛋白受體(asialoglycoprotein receptor,ASGPR)可與3個半乳糖或乙酰氨基半乳糖結(jié)合增加糖與受體間的結(jié)合力[16].因此,為模擬生物體內(nèi)糖與受體間的多價態(tài)識別作用,研究者們設(shè)計開發(fā)了多種糖簇功能材料[17],包括基于共價作用的糖基聚合物[14]和樹狀大分子等[18],以及基于非共價作用的糖基納米片[19]、糖基微球[20-21]和糖基大分子[22-23]等.盡管通過強的共價作用構(gòu)建的糖基功能材料具有明確的結(jié)構(gòu),但其構(gòu)建過程繁瑣耗時,收率較低,極大地制約了其廣泛的應(yīng)用.由于具有模塊化、可定制、自發(fā)組裝的優(yōu)勢,基于非共價作用構(gòu)建糖基材料成為目前的研究熱點.研究者通過各種非共價作用,如氫鍵、主客體、金屬配位、親疏水作用、π-π相互作用和范德華力等構(gòu)建了一系列新型的糖基功能材料[18,24-25].

生物材料的穩(wěn)定性一直是影響生物應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素,弱的非共價作用雖賦予了材料構(gòu)建的靈活性,但同樣會喪失材料的穩(wěn)定性.在目前眾多的非共價相互作用中,主客體相互作用和金屬配位作用力相對較強[26-27],能同時滿足材料構(gòu)建的簡易性和穩(wěn)定性.因此,本文從主客體相互作用和金屬配位相互作用(圖1)出發(fā),綜述了目前糖基組裝材料的最新研究進展,并對其存在的問題和未來的發(fā)展方向進行了討論和展望.

圖1 非共價鍵誘導(dǎo)的糖基組裝材料示意圖Fig.1 Schematics of glycomaterials based on non-covalent bond-driven self-assembly

1 基于主客體相互作用的糖基組裝體

有機大環(huán)是最常見的構(gòu)建超分子組裝體的基本單元,包括環(huán)糊精(cyclodextrins,CDs)、柱/杯芳烴(pillararenes/calixarenes)和葫蘆脲(cucurbiturils,CBs)等,其晶體結(jié)構(gòu)如圖2所示,由于其結(jié)構(gòu)容易被修飾從而使得其組裝體具備多種優(yōu)異的功能[28].同時,有機大環(huán)的空腔不僅可以作為組裝識別單元,還可負(fù)載配體藥物,利用糖與受體間的特異性識別作用實現(xiàn)靶向釋藥.本章以有機大環(huán)作為基本組裝單元,綜述了糖基組裝體的構(gòu)建策略及應(yīng)用實例.

圖2 β-環(huán)糊精(β-CD)、叔丁基杯[6] 芳烴(p-tert-butylcalix[6]arene)和葫蘆[7] 脲(CB[7])的晶體結(jié)構(gòu)Fig.2 Crystal structures of β-cyclodextrins(β-CD),p-tert-butylcalix[6]arene and cucurbit[7]uril (CB[7])

CDs是一類環(huán)狀低聚糖,由α-D-吡喃葡萄糖單體通過1,4位連接得到,具有6、7或8個吡喃葡萄糖單元的3種類型的CD被稱為α-、β-和γ-CD,其中β-CD是最常見的類別.CDs具有一個親水的外部和一個疏水的中心空腔,空腔可對客體分子進行非共價包裹.CDs具有環(huán)形截錐軸對稱結(jié)構(gòu),位于上邊緣的6位羥基和下邊緣的2,3位羥基由于活性不同可被選擇性功能化,從而在保持核心空腔結(jié)構(gòu)不變的情況下構(gòu)建多元復(fù)合物.截至目前,已經(jīng)有大量基于環(huán)糊精的糖基材料被開發(fā)出來,如線性環(huán)糊精糖刷、糖基環(huán)糊精膠束等[8],極大地推動了以環(huán)糊精為載體的糖基納米材料的發(fā)展[29].

糖與受體間的識別不僅可以用于實現(xiàn)對特定的糖受體過表達細(xì)胞的檢測,還可利用識別后的受體內(nèi)吞進行藥物的靶向遞送,實現(xiàn)靶細(xì)胞的診療一體化.基于以上基礎(chǔ),He等[30-31]設(shè)計開發(fā)了多種以環(huán)糊精為載體的糖基納米材料,如以納米金作為核心構(gòu)建的糖基納米材料(圖3(a)).該材料通過金硫鍵作用將巰基環(huán)糊精預(yù)組裝于納米金表面,隨后將兩端分別修飾金剛烷和半乳糖的萘酰亞胺探針利用主客體作用封裝于納米金表面,該材料不僅可以實現(xiàn)ASGPR受體過表達的Hep-G2細(xì)胞的特異性識別,還可利用ASGPR受體的內(nèi)吞作用進行肝癌細(xì)胞的光控治療[32].為進一步增加糖與受體間的多價態(tài)識別作用,該課題組再次將糖基微球(由糖基探針1與聚環(huán)糊精組裝得到)富集在二維片層材料MnO2表面[33],形成多功能糖基納米片(圖3(b)).該材料中的MnO2可被腫瘤微環(huán)境中過量的谷胱甘肽(glutathione,GSH)降解,從而實現(xiàn)響應(yīng)激活釋放,同時還可利用糖與受體間的特異性識別,實現(xiàn)特定腫瘤細(xì)胞進行精準(zhǔn)識別和成像.環(huán)糊精作為聚糖材料,由于其優(yōu)異的生物相容度已經(jīng)被FDA(US Food and Drug Administration,美國食品藥品監(jiān)督管理局)批準(zhǔn)作為藥物的增溶劑使用[28],其表面的羥基易于功能化及客體分子的多選擇性使得環(huán)糊精成為生物醫(yī)藥領(lǐng)域重要的明星分子,更多基于環(huán)糊精的在體檢測和原位治療方法有待進一步開發(fā).

圖3 糖基環(huán)糊精納米材料構(gòu)建及應(yīng)用示意圖Fig.3 Schematics depicting the construction and application of glycocyclodextrin nanomaterials

柱芳烴(Pillar[n]arenes,n=4—10)和杯芳烴(Calix[n]arenes,n=4—10)是通過亞甲基將苯環(huán)橋連的大環(huán)分子[28,34].柱芳烴為苯環(huán)對位連接,杯芳烴則為苯環(huán)間位連接,不同的連接方式使得柱芳烴和杯芳烴結(jié)構(gòu)上存在較大差異.但是兩者均可通過主客體相互作用在空腔中容納多種分子,如吡啶鹽、銨鹽、鹵素離子、金屬離子、氨基酸、核苷酸等[35-36].目前,已經(jīng)有大量的以柱/杯芳烴為基本單元進行非共價組裝的糖基靶向納米材料被報道[37].例如,Huang等[38]報道了一種半乳糖和烷基鏈修飾的柱 [5] 芳烴2(圖4(a)),該材料可在溶液中進行自組裝形成表面包裹半乳糖的線性納米管,利用糖基與大腸桿菌表面受體進行多價態(tài)識別,從而實現(xiàn)大腸桿菌的富集,為其他細(xì)菌的富集、識別提供了新的研究思路.

Hu等[39]設(shè)計合成了一種糖簇納米微球(圖4(b)),首先將半乳糖通過點擊化學(xué)的手段共價連接在柱 [5] 芳烴的兩側(cè)得到化合物3,然后將季銨鹽修飾的含有二硫鍵的抗癌藥物喜樹堿4(Camptothecin,CPT)與糖基柱芳烴3進行主客體組裝,得到表面簇集半乳糖分子的納米載藥體系,該材料可實現(xiàn)人肝癌細(xì)胞Hep-G2的選擇性識別.此外,在高濃度GSH的作用下,二硫鍵發(fā)生斷裂,從而釋放出藥物CPT,實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的靶向激活釋藥,為藥物的靶向遞送和緩釋提供了新的研究思路.該研究的設(shè)計方法可作為一種模塊化的前藥設(shè)計平臺,負(fù)載多種藥物,如Li等[40]設(shè)計了一種負(fù)載CuS和抗腫瘤藥阿霉素(doxorubicin,DOX)的納米體系,成功實現(xiàn)了腫瘤的靶向光熱治療.

Sreedevi等[41]合成了一種甘露糖和烷基鏈修飾的杯 [4] 芳烴5(圖4(c)),該材料在超過臨界膠束濃度時會自組裝形成外圍裸露甘露糖的納米微球,其疏水的內(nèi)部空腔可包裹化療藥物阿霉素(DOX),進而實現(xiàn)甘露糖受體過表達的人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞A549的靶向給藥.柱 [4] 芳烴5中含有的硫脲結(jié)構(gòu)可在腫瘤的泛酸環(huán)境中降解,實現(xiàn)藥物的定向緩釋,為基于糖基納米膠束的藥物載體構(gòu)建提供了切實可行的方法.

圖4 糖基柱/杯芳烴納米材料構(gòu)建及應(yīng)用示意圖Fig.4 Schematics depicting the construction and application pathway of glycol-pillararene/calixarene nanomaterials

葫蘆脲(Cucurbit[n]urils,CB[n],n=5—8,10)是由甘脲和亞甲基縮合而成的新型大環(huán)分子[9],具有兩端小中間大的空腔結(jié)構(gòu),可識別多種配體分子,如脂肪銨、偶氮苯、金剛烷等[24,42].由于葫蘆脲的高度穩(wěn)定性,葫蘆脲的功能化修飾一直是制約葫蘆脲快速發(fā)展的重要原因.目前文獻已報道了多種葫蘆脲衍生化的方法,并以此設(shè)計合成了糖基納米材料.例如,Kim等[43]報道了一種無模板的合成響應(yīng)型糖基聚合物納米膠囊方法(圖5(a)),將氨基修飾的CB[6](化合物6)通過不穩(wěn)定二硫鍵(化合物7、9和8、10為不含二硫鍵的對照分子)交聯(lián)形成納米膠囊,然后進行非共價表面糖簇化修飾以實現(xiàn)Hep-G2細(xì)胞的靶向,該材料可與腫瘤細(xì)胞GSH反應(yīng),釋放封裝的藥物,實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)靶向給藥.

線粒體分裂通常與氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的發(fā)展有關(guān),在氧化應(yīng)激下,線粒體分裂會降低ATP的產(chǎn)生,增加細(xì)胞內(nèi)的活性氧(reactive oxygen species,ROS),釋放促凋亡蛋白[44].因此,誘導(dǎo)線粒體融合可為氧化應(yīng)激下的細(xì)胞提供保護,并為線粒體相關(guān)疾病提供新的治療選擇.Sun等[45]開發(fā)了一種聚糖策略的線粒體誘導(dǎo)聚集融合方法(圖5(b)),將線粒體靶向基團三苯基膦(triphenylphosphine,TPP)與金剛烷(adamantane,ADA)共價偶聯(lián),通過與葫蘆 [7] 脲(CB[7])接枝的透明質(zhì)酸聚糖(hyaluronic acid,HA)發(fā)生原位超分子組裝,誘導(dǎo)線粒體融合.這種首先通過靶向定位標(biāo)記,隨后利用主客體相互作用的原位超分子組裝富集策略,為線粒體功能和相關(guān)的細(xì)胞過程恢復(fù)提供了新的研究方法.

圖5 糖基葫蘆脲納米材料組裝及應(yīng)用示意圖Fig.5 Schematics depicting the construction and application of glycol-cucurbituril nanomaterials

2 基于配位鍵導(dǎo)向自組裝策略的糖基組裝體

在通過非共價作用構(gòu)建超分子組裝體材料研究中,金屬配位驅(qū)動的超分子體系具有結(jié)構(gòu)可控、分層定向組裝的特點,已被廣泛應(yīng)用于多種功能響應(yīng)和刺激性材料的構(gòu)建[46-47].與繁瑣的共價合成構(gòu)建方法相比,金屬-配體驅(qū)動的組裝策略可在溶劑中通過一鍋法的方法進行高效快速制備.而且,通過這種方法構(gòu)建的組裝體具有明確的形狀和尺寸,它的外圍或頂點也可以被進一步功能化修飾,進行分層、正交組裝,從而獲得結(jié)構(gòu)精確的多功能材料[48-49].而將金屬配位驅(qū)動的自組裝策略用于糖基材料的構(gòu)建已經(jīng)成為糖基功能材料構(gòu)建的重要方法.例如,Zhou等[50]將糖基化聯(lián)吡啶單元(11—13)與有機鉑單元(14,15)(圖6)通過配位鍵導(dǎo)向自組裝策略構(gòu)建了含有糖基官能團的金屬環(huán).值得注意的是,鉑金屬供體可與多種60°或120°糖基化(葡萄糖11、半乳糖12、乳糖13)受體進行組裝,分別得到含有2個或3個糖基的[2+2]菱形16或[3+3]六邊形17的金屬大環(huán).該研究通過簡易定向的組裝方法得到了結(jié)構(gòu)明確的糖基復(fù)合物,為金屬配位驅(qū)動的糖基材料的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ).

圖6 鉑金屬供體與糖基化受體通過配位鍵導(dǎo)向自組裝形成[2+2]菱形或[3+3]六邊形金屬大環(huán)[50]Fig.6 Schematics depicting the construction of [2+2]rhomboids or[3+3]hexagons self-assembled via coordinationdriven assembly between organoplatinum donors and glycol acceptors[50]

由于金屬配合物的組裝多發(fā)生在有機溶劑中,在水相介質(zhì)中的研究較少,這極大地制約了水溶性糖基功能材料的構(gòu)建.在前期的研究基礎(chǔ)上,Stang課題組[51]將有機鉑-吡啶基配位驅(qū)動的自組裝與CB[8]介導(dǎo)的主客體相互作用相結(jié)合,提出了水相進行糖基金屬配合物的組裝方法(圖7).首先將含有聯(lián)吡啶基團的供體18與有機鉑19進行一級組裝,形成外圍含有季銨鹽陽離子的[3+3]六邊形組裝體20,該結(jié)構(gòu)使金屬配合物具有一定水溶性,使得聯(lián)吡啶[3+3]六邊形組裝體20與葫蘆脲可在水相中發(fā)生主客體自組裝得到21,最后再與糖基配體22組裝得到結(jié)構(gòu)明確的糖基功能材料23,為金屬配位誘導(dǎo)的糖基組裝體的構(gòu)建提供了新的思路.

圖7 吡啶受體18與鉑金屬供體18通過配位鍵導(dǎo)向自組裝形成[3+3]六邊形金屬大環(huán)20,隨后與葫蘆脲和糖基配體22通過主客體相互作用組裝得到糖基材料23[51]Fig.7 Schematic of the construction of a [3+3]hexagon glycoassembly via coordination-driven assembly between an organoplatinum donor and dipyridyl acceptor,and host-guest interactions of CB[8]and the dipyridyl [3+3]hexagon self-assembly,respectively[51]

為進一步在水相介質(zhì)中通過逐級自組裝構(gòu)筑糖基復(fù)合物,Yang課題組[52]設(shè)計合成了一種糖基修飾(甘露糖24和麥芽糖25)的聯(lián)吡啶受體(圖8),并與不同角度的有機金屬鈀配體26(180°)和27(120°)進行組裝,得到精確尺寸的含有不同糖個數(shù)的六邊形金屬大環(huán)28—33.通過精確調(diào)整六邊形金屬大環(huán)上的糖數(shù)量,可顯著改變其在水相中的二級組裝行為,形成不同的囊泡、膠束或者纖維,展示出了以配位鍵導(dǎo)向自組裝為核心的逐級自組裝策略在構(gòu)建糖基材料方面的獨特優(yōu)勢,有望加速精準(zhǔn)糖基納米材料的發(fā)展,推動糖基材料在藥物/基因傳遞、免疫治療和細(xì)胞識別調(diào)控等重要生物學(xué)領(lǐng)域的研究.

圖8 鉑金屬供體與糖基吡啶受體配位鍵導(dǎo)向自組裝形成六邊形糖基材料,隨后通過逐級自組裝形成囊泡、膠束和纖維[52]Fig.8 Schematic of the construction of a glycol-hexagon self-assembly via coordination-driven assembly between an organoplatinum donor and glycol acceptor,and transformation of vesicles,micelles,and fibers through hierarchical self-assembly,respectively[52]

3 結(jié) 論

構(gòu)筑功能性糖基材料是解密和調(diào)控糖生物學(xué)功能的基礎(chǔ),本文從構(gòu)建糖基功能材料角度出發(fā),系統(tǒng)總結(jié)了通過主客體相互作用及配位鍵導(dǎo)向自組裝策略高效構(gòu)筑糖基功能材料的研究進展.值得注意的是,通過主客體相互作用構(gòu)建糖基材料已有大量成熟的工作,而通過配位鍵導(dǎo)向自組裝策略構(gòu)筑糖基材料的研究相對較少.盡管金屬配位驅(qū)動的糖基材料起步較晚,但其定向、可控、分層次級聯(lián)組裝的優(yōu)勢有望推動糖基材料的快速發(fā)展.

目前, 雖然已經(jīng)有多種性能優(yōu)異的人工組裝體被開發(fā)出來, 但與復(fù)雜的生命系統(tǒng)中的組裝體相比[53-54],人工組裝結(jié)構(gòu)和功能仍然過于簡單,無法與復(fù)雜精密的生物體內(nèi)的組裝過程相媲美[55].因此,如何實現(xiàn)復(fù)雜糖基組裝功能材料的精準(zhǔn)可控制備,如何進行組裝過程的動態(tài)可逆調(diào)控,如何對組裝過程進行示蹤、糾錯和反饋等將是該領(lǐng)域的研究重點和難點.