pH调控电荷可变高分子材料与蛋白分子相互作用及荧光共振能量转移成像

Cancer is one of the serious diseases that threat the health and life of human beings. How to transfer anti-tumor protein using polymer as a carrier efficiently and controlled release protein in tumor cells or tissues by molecular imaging, is still investigated. In this project, a pH-tuning charged polymer carrier is designed and synthesized by introducing sulfonamide group and amino group into one polymer chain. When the environmental pH is higher than the pKa of sulfonamide group, the polymer will have negative charges that could enhance the interaction of negatively charged polymer and positively charged protein by the opposite charges attracting electrostatic interaction, and then the coating process is realized. When the pH reduces under the pKa of the amino group (close to the tumor pH), the charge of polymer was gradually changed from negative to positive. The controlled release process of protein from polymer is realized due to the same charge repulsion. Moreover, pairs of fluorescent donor and acceptor that could have fluorescence resonance energy transfer are connected to the protein and polymer, respectively. We can control the distance between them by changing the environmental pH. According to the principle of fluorescence resonance energy transfer, we can monitor the interaction behavior of the polymer and protein through the fluorescence emitting state. Eventually we will realize protein was coated and controlled release from the polymer carrier whose charge can be changed through adjusting the pH.

癌症是严重威胁人类生命的疾病之一，如何利用高分子载体将抗肿瘤蛋白分子高效传递并在肿瘤细胞或组织可控释放，特别是通过成像手段监测这一作用过程，仍没有突破性研究。本课题主要合成了pH可调电荷变化的高分子载体材料，将磺酰胺基团和胺基基团同时引入到一个高分子链段中。当环境pH高于磺酰胺基团pKa时，高分子材料带负电荷，通过异性电荷吸引静电作用，增强与带正电荷的蛋白分子间的相互作用，实现包覆；降低pH到氨基基团pKa以下（接近肿瘤pH），高分子材料逐渐由负电荷转变为正电荷，因同性电荷排斥，实现了蛋白分子的可控释放过程。我们将一对可发生荧光共振能量转移的供体和受体荧光分子分别接到蛋白分子和高分子材料中，改变溶液pH而调控两者间的距离，依据荧光共振能量转移原理，通过荧光分子发光状态，监测高分子链段与蛋白分子间的相互作用行为。最终实现利用pH可调电荷变化的高分子载体材料对蛋白分子的包覆和可控释放行为。

癌症是危害人类生命健康的最严重的疾病之一，化疗或高剂量药物的使用给人们带来了严重痛苦。因此，如何利用高分子载体将抗肿瘤蛋白分子高效传递并在肿瘤细胞或组织可控释放，特别是通过成像手段监测过程是一个重要的研究课题。本课题主要合成了一系列pH响应嵌段共聚物，并通过物理自组装的过程实现了对荧光蛋白分子、磁性纳米粒子的包覆，制备了一系列pH响应型成像探针。采用逐步聚合的方法制备了一系列pH响应的电荷可反转的荧光聚乙二醇单甲醚-聚氨酯嵌段聚合物，异硫氰酸荧光素作为生色团被引入到聚合物。也制备了甲氧基-聚（乙二醇）-胱胺-聚[2-（二丁基氨基）乙胺-L-谷氨酸]共聚物。通过透射电子显微镜、动态力学光散射仪、超导量子干涉仪、MTT法等对聚合物胶束进行了详细测试，并对其进行了荧光成像或核磁成像研究，分析了阿霉素在A549及MCF-7细胞中的细胞内吞及细胞内释放行为。最后基于聚合物量子点胶束体系，详细探索了血清蛋白-花青素3分子的荧光共振能量转移现象，结果表明量子点的发射光谱与花青素3的吸收光谱之间存在显着的光谱重叠，并通过利用聚合物包覆量子点，实现了对血清蛋白分子-花青素3的荧光共振能量转移，从成像角度也证明了聚合物分子和蛋白分子的相互作用过程。在Journal of Polyemr Research, Polymer Chemistry, Nanoscale等期刊发表了一系列研究论文。本项目成功地合成了一系列pH响应型聚合物胶束载体，并实现抗肿瘤蛋白分子的可控释放，通过荧光共振能量转移现象监测聚合物与蛋白质的相互作用过程。这对肿瘤的复杂生物过程的监测、肿瘤诊断、肿瘤治疗、疾病机理研究等方面具有重要意义。同时，荧光共振能量转移作为成像手段，对生物大分子相互作用分析、细胞生理研究、免疫分析等方面有着重要意义，将极大地推动了生命科学、发光成像指导手术、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。