Small:用囊泡界面的酶促反应制备近红外二区医用功能材料

活体深层肿瘤成像与治疗是肿瘤临床诊疗的重点和难点。光声成像(PAI)结合了光学成像高对比度和超声成像高空间分辨率的优点,无损伤无辐射可提供高特异性的组织影像,特别是近红外二区(NIR-II)PAI,穿透力强成像信噪比高,可对活体深层肿瘤进行高分辨率成像,是PAI乃至医学影像发展的趋势。如何构建在NIR-II有强吸收且分散性及生物安全性优良的光热试剂是制约该领域发展的瓶颈。有机共轭聚合物对近红外光有强吸收,且光热性能稳定,生物相容性高,但现有的聚合物制备复杂且溶解性差,活体应用前还需繁琐的提纯和修饰。

细胞内界面限域的酶控制了一系列复杂高效的化学反应,而在体外引入尺寸多变且易于修饰的囊泡,可促进和指导酶促反应。与注重反应设计的有机化学不同,酶促反应属于自由基耦合反应,反应过程往往更为精巧复杂。利用囊泡界面的模板功能,辅助非特异性氧化还原酶(如辣根过氧化物酶(HRP)和漆酶)催化氧化非天然底物,可为有机合成和纳米材料的制备提供一种绿色温和高效的替代方案。

聚苯胺是首个被报道有光热性能的有机共轭聚合物,然而至今却尚未有关于聚苯胺在NIR-II光热性能或PAI的研究。上海交通大学医学院谭蔚泓院士和李娟教授课题组通过囊泡表面限域的酶促聚合反应,有效控制苯胺单体自由基的非酶耦合,得到包裹在囊泡外的线性导电聚苯胺。在此反应中,阴离子囊泡不仅可以加速反应速率(预先吸附阳离子单体(苯胺)和酶(HRP),使酶促反应更高效地在囊泡表面进行),还可指导反应路径(促进单体自由基的线性首尾耦合,抑制枝化耦合);聚合反应结束后,囊泡与聚苯胺通过静电吸附和氢键紧密结合,同时作为掺杂酸使聚苯胺稳定地分散在水溶液中,有利于其后续加工与应用。相比之下,不含囊泡时,苯胺自由基的杂乱耦合会产生枝化低聚产物的棕色沉淀。因此,囊泡提供的微环境(富含磺酸基的分散性软界面)不仅加速和指导了酶促反应进程,还改变了聚合产物的结构与状态。

该反应操作简单,反应过程温和高效,所得聚苯胺在NIR-II有强吸收、分散性优良、光热性能稳定、安全性高于苯胺低聚物(Langmuir 2018, 34, 9153-9166),用细胞培养基稀释后可直接进行活体静脉注射,实现活体深层肿瘤的成像与治疗。同时,聚苯胺的掺杂特性赋予其pH响应的光热性能,使其在肿瘤酸性微环境下产生较好的成像和治疗效果,对正常组织几乎没有伪信号和误伤。最后,肿瘤处的升温提高了囊泡膜流动性,有利于其内部药物释放,实现精准的协同治疗。

囊泡作为常见的隔室模型和递药载体,其指导化学反应的研究还相对较少。该工作首次报道了利用囊泡界面限域的酶促反应制备医用纳米材料,为界面限域酶促反应的应用和医用功能材料的制备提供了新思路。同时,囊泡介导的化学反应反过来也会引发囊泡的增长分裂甚至运动,这值得今后更多的基础研究。该工作发表在Small上(DOI:10.1002/smll.202001177),第一作者为上海交通大学医学院博士后张亚,感谢苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)Peter Walde教授的讨论与帮助。