基于H2S/H2Sn生物信号的特异响应性大分子设计合成与可控自组装

Specific-responsive polymer system, in particular, the macromolecules that specifically respond to endogenous biological signaling molecules, will become a new perspective and significant research field in stimuli-responsive polymer science. In this proposal, we propose to use two kinds of neural signal transduction molecule, hydrogen sulfide (H2S) and hydrogen polysulfide (H2Sn), as biological stimulation modes, and respectively build H2S- or H2Sn-responsive polymer systems with highly specificity. The controlled self-assembly behaviors and the specific-responsive disassembly mechanisms of these polymers will be deeply investigated. The polymer assemblies will be considered as nanocarriers or nanocapsules to apply in real physiological conditions in order to realize H2S- or H2Sn biological signal-driven drug delivery and drug control release. This polymer model would build a versatile selective-recognition strategy to bridge synthetic polymers and biological signaling molecules, and further open up a new avenue to preparing specific-responsive polymer systems.

特异响应性大分子体系，特别是针对细胞内小分子生物信号具有特异性应答识别能力的大分子，将是刺激响应聚合物领域未来一个崭新性概念和关键性研究方向。本项目旨在利用硫化氢(H2S)与多硫化氢(H2Sn)两种神经信号转导分子作为生物信号刺激源，分别构建具有对H2S或H2Sn分子高特异响应能力的聚合物匹配结构，揭示其在生理环境下的大分子可控自组装和特异响应性解组装行为与机制，并利用其作为纳米载体在真实细胞环境中实现H2S/H2Sn生物信号调控的药物输运与控制释放功能。在分子层次上建立合成大分子与特定小分子生物信号之间选择性识别的普适性方法，为开辟特异响应型聚合物体系提供新策略和理论基础。

本项目旨在开发具有生物特异响应性的大分子体系及其相应的智能纳米载体，特别是针对细胞内重要小分子生物信号和神经转导分子构建具有高灵敏性和生物选择性的聚合物家族。项目针对硫化氢（H2S）、多硫化氢（H2Sn）、一氧化碳（CO）和一氧化氮（NO）等体内存在浓度极低的生物信号为刺激源，成功构建了与之特异性匹配的四类聚合物功能结构，通过聚合物主链或侧链的化学反应性切断机制应答不同生物信号分子，实现了对该类内源性分子的高专一性和高灵敏性的响应，响应阈值普遍在纳摩尔至微摩尔量级（Ct=10 nM—1.0 uM），并可排除生物体内其它功能或结构类似物的干扰；同时通过聚合物两亲结构的调控，实现了对这类智能聚合物的可控组装与信号响应性解组装，并通过控制聚合物的拓扑学结构，获得了基于不同组装结构与形貌的纳米尺度载体，形状可在球状胶束、纤维丝、囊泡体之间过渡与转变。研究还发现，聚合物的拓扑学结构，如主链型、支化型和侧链型，对信号应答的最低响应阈值（Ct）存在至关重要的影响，当信号敏感单元分别存在于主链链接点、支化发散点和侧链侧基时，主链型的Ct最小而侧链型的Ct最大而支化型的Ct居中，其机理是敏感单元切断后分子量衰减方式不同导致的信号放大效应不同；拓扑结构驱动的信号阈值差别最高接近40倍。不同类型的聚合物组装体均可作为纳米载体在细胞内原位感应生物信号分子的浓度变化，并实现信号触发的载体解离和内部药物可控释放，有望应用于生物响应型纳米药物或制成纳米传感器原位监测胞内关键生物信号水平的波动。