基于代谢组学分析的系统评价聚乙二醇生物相容性的研究

Polyethylene glycol (PEG) is widely used in biomedical fields because of its outstanding biocompatibility. However, few studies has reported why Polyethylene glycol displays excellent biocompatibility. In our previous experiments, we found that linear polyethylene glycol (PEG2000) at the concentration of 20 mM induces rat liver cells BRL-3A cells autophagy rather than apoptosis and the concentration of the endogenous small molecule metabolites , for example, arachidonic acid (AA) in BRL-3A cells significantly increased after exposure to PEG2000 for 24h . In this project, in combination with previous research and biotoxicity detection in vitro and in vivo, we will investigate the effect of different topology structures of PEG on the concentration of endogenous metabolites such as AA and other different metabolic pathways by applying metabonomics analysis method on mammalian cells and Sprague Dawley (SD) rats. Furthermore, we also intend to reveal the relationship between AA and inflammatory factor such as interleukin , Cox-2, iNOS, etc, as well as the mechanism of inflammation. The study will provide a novel approach towards explaining the biocompatibility of biomedical polymers, for example, PEG, based on metabonomics analysis. It could also provide experimental and theoretical guidance for the deeper understanding in the biocompatibility of biomedical polymer and its effects on biosystems.

聚乙二醇因其良好的生物相容性广泛应用于生物医药领域。聚乙二醇为何具有良好的生物相容性?其作用机理鲜有报道。前期研究表明：20 mM线型聚乙二醇 (PEG2000) 不诱导大鼠肝细胞BRL-3A细胞凋亡，但诱导BRL-3A细胞自噬, 导致BRL-3A细胞内源性小分子代谢物花生四烯酸(AA)的浓度显著升高。本课题拟根据现有的研究基础，在聚乙二醇体外和体内毒性检测的基础上，采用代谢组学分析方法检测不同拓扑结构的聚乙二醇对哺乳动物细胞和Sprague Dawley（SD）大鼠内源性AA等代谢产物浓度及各代谢途径的影响，进一步研究AA浓度变化与炎症分子（如：白介素Ils系列、COX-2、iNOS等）的关系, 揭示聚乙二醇导致生物体炎症的机制。本课题拟建立一种全新的、基于代谢组学分析的系统评价聚乙二醇等生物医用高分子生物相容性的方法，为深入研究其生物相容性及其对生物体系统的影响提供实验方法和理论依据。

聚乙二醇因其良好的生物相容性被广泛应用于生物医药领域。聚乙二醇为何具有良好的生物相容性？其作用机理鲜有报道。前期研究表明：20 mM的线型聚乙二醇 (2000 Da, LPEG2000) 不诱导大鼠肝细胞BRL-3A细胞凋亡，但诱导BRL-3A细胞自噬。本研究项目以分子量为2000 Da、 5000 Da的线性聚乙二醇、四臂星状聚乙二醇以及合成的分子量为2000 Da、5000 Da的超支化聚乙二醇的低细胞毒性研究为基点，进行了一系列研究，得到了以下研究结果：线型聚乙二醇（2000 Da, PEG2000）诱导BRL-3A的自噬泡累积这一现象在人脐静脉内皮细胞HUVEC、人肝癌细胞SK-HEP-1和人肾癌细胞786-O中具有普遍性, LPEG2000导致Sprague Dawley（SD）大鼠的肝组织细胞内出现自噬泡，不引起SD大鼠的肝脏、心脏、肺、肾脏和脾脏组织出现损伤, 聚乙二醇诱导细胞自噬是聚乙二醇具有良好生物相容性的重要原因；干扰素刺激因子STING负责由致病DNA诱导的自噬，免疫调节纳米系统能有效递送STING激动剂，为进一步研究聚乙二醇诱导的自噬与STING调控的关系提供了依据；用基于气相色谱-飞行时间质谱联用（GC-TOF/MS）分析的代谢组学检测方法检测了LPEG2000对大鼠肝细胞 BRL-3A脂代谢、糖代谢、氨基酸代谢、嘌呤与嘧啶代谢以及能量代谢等多个代谢途径的影响, 进一步的研究表明20 mM 分子量为 5000 Da的线型聚乙二醇（5000 Da, LPEG5000）引起BRL-3A细胞的内源性小分子代谢物花生四烯酸的浓度升高较超支化聚乙二醇显著; 研究了 LPEG5000进入细胞的路径，带正电荷的LPEG5000-罗丹明B 经胞饮作用被内化到BRL-3A细胞中，依次进入BRL-3A细胞的溶酶体、内质网和线粒体，且不引起线粒体损伤。本研究项目建立了一种全新的、基于代谢组学分析的评价聚乙二醇等生物医用高分子生物相容性的方法，为聚乙二醇修饰的药物分子设计奠定了基础。在该项目支持下，项目负责人以共同通讯作者或第1作者在Chemical Society Review、 ACS Applied Materials & Interfaces等国际期刊上发表SCI论文5篇，申请中国发明专利1项（申请号: 202310058205.4）。