一种细胞内构筑温度响应性聚集体的材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种细胞内构筑温度响应性聚集体的材料及其制备方法和应用。

背景技术：

纳米材料的生物利用率在生物应用材料的应用中扮演着重要角色。为了提高纳米材料的生物功能，开发了各种策略来提高纳米材料在目标位置的积累和滞留，例如，高通透性和滞留(epr)效应，主动靶向机制，长效血液循环等等。基于以上概念，人们致力于设计并合成物理化学性能易于控制的纳米材料，例如，尺寸、形态、电荷、表面化学、有效负载量和稳定性。然而，精确制备大体积的纳米材料仍然是一个巨大的挑战。

除了发展可控制备纳米材料的新策略，也开发了一种在活体水平探索功能材料的新策略。这种策略的主要思想是在特殊生理或病理环境下通过小分子的自组装来构筑有特殊功能的纳米结构。

由于温度响应性聚合物的温度诱导的线-球转换特性，温度响应性聚合物在药物/蛋白递送系统，免疫佐剂，人工抗体，造影剂等发面有极大应用。为了在生物体应用温度响应性聚合物，温度的改变并不总是在生理条件范围内。因此，迫切需要开发更智能，更温和的生物相容性的触发而不是温度的改变。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种细胞内构筑温度响应性聚集体的材料及其制备方法和应用。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种细胞内构筑温度响应性聚集体的材料，所述材料包括响应性多肽和穿膜肽组成的多肽序列以及温敏聚合物，所述多肽序列的响应性多肽连接在温敏聚合物上。

本发明的材料可以通过穿膜肽辅助材料进胞，进入细胞后对胞内特定刺激信号做出响应，移除亲水性的多肽(即响应性多肽部分)，改变材料的相转化温度到生理温度37℃以下，最终导致材料的塌缩聚集，形成纳米聚集体。

传统的方法是将大的纳米颗粒递送到需要的位置(如肿瘤)，但是这种方法会导致材料在肝肾富集产生毒性。本发明的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料是亲水性较强的材料，其通过舒展的状态以水溶液的形式进入活体，改善生物分布，在需要的位置(如肿瘤)在某种条件触发下原位聚集或组装，可以提高材料的利用度，同时因为不会导致肝肾毒性，并且可以改善药物或荧光分子的生物分布，增加其在作用部位的滞留时间，增加利用度，降低给药次数等。

优选地，所述温敏聚合物为聚n-异丙基丙烯酰胺、聚n,n-二乙基丙烯酰胺、聚n-羟甲基丙基甲基丙烯酰胺、聚n-2,2-二甲基1,3-二氧戊环甲基丙烯酰胺、聚n-2-甲氧基1,3-二氧乙环甲基丙烯酰胺、聚n-2-乙氧基1,3-二氧乙环甲基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯、聚n-乙烯基异丁酰胺、聚甲基乙烯基醚、聚n-乙烯基己内酰胺或聚2-乙基恶唑啉中的任意一种或至少两种的组合，优选聚n-异丙基丙烯酰胺。

优选地，所述温敏聚合物的合成方法为活性/可控自由基聚合，优选raft聚合(可逆加成-断裂链转移聚合)。

优选地，所述raft聚合的链转移试剂为n,n'-二甲基n,n'-二(4-吡啶基)秋兰姆二硫化物、2-(十二烷基三硫代碳酸酯基)-2-甲基丙酸、双(十二烷基硫烷基硫代羰基)二硫化物、2-氰基-2-丙基十二烷基三硫代碳酸酯、2-氰基-2-丙基苯并二硫、4-氰基-4-[(十二烷基硫烷基硫羰基)硫烷基]戊酸、4-氰基-4-(苯基硫代甲酰硫基)戊酸、氰甲基十二烷基三硫代碳酸酯、氰甲基甲基(苯基)氨基二硫代甲酸酯、甲基-2-丙酸甲基(4-吡啶)氨基二硫代甲酸酯、甲基-2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸酯或2-苯基-2-丙基苯并二硫中任意一种或至少两种的组合，进一步优选2-氰基-2-丙基十二烷基三硫代碳酸酯。

优选地，所述响应性多肽为谷胱甘肽响应性多肽、半胱氨酰天冬氨酸特异性蛋白酶-3响应性多肽、半胱氨酸蛋白酶atg4响应性多肽、基质金属蛋白酶响应性多肽或磷酸酶响应性多肽中的任意一种，优选谷胱甘肽响应性多肽、半胱氨酰天冬氨酸特异性蛋白酶-3响应性多肽或半胱氨酸蛋白酶atg4响应性多肽。

优选地，所述谷胱甘肽响应性多肽为cys-lys-(s-s)-asp。

优选地，所述半胱氨酰天冬氨酸特异性蛋白酶-3响应性多肽为cys-lys-asp-glu-val-asp。

优选地，所述半胱氨酸蛋白酶atg4响应性多肽为cys-lys-thr-phe-gly-phe。

优选地，所述基质金属蛋白酶响应性多肽为cys-lys-gly-pro-leu-gly-val-arg-gly-lys或cys-lys-pro-leu-gly-leu-ala-gly。

优选地，所述磷酸酶响应性多肽为cys-lys-leu-val-phe-tyr(hpo3)或cys-lys-leu-val-phe-tyr(hpo3)-lys-leu-val-phe-tyr(hpo3)。

优选地，所述穿膜肽为grkkrrqrrrpq(gly-arg-lys-lys-arg-arg-gln-arg-arg-arg-pro-gln)、rqikwfqnrrmkwkk(arg-gln-ile-lys-trp-phe-gln-asn-arg-arg-met-lys-trp-lys-lys)、ygrkkrrqrrr(tyr-gly-arg-lys-lys-arg-arg-gln-arg-arg-arg)、rggrlsysrrrfststgr(arg-gly-gly-arg-leu-ser-tyr-ser-arg-arg-arg-phe-ser-thr-ser-thr-gly-arg)、rrlsysrrrf(arg-arg-leu-ser-tyr-ser-arg-arg-arg-phe)、pirrrkklrrlk(pro-ile-arg-arg-arg-lys-lys-leu-arg-arg-leu-lys)、rrqrrtsklmkr(arg-arg-gln-arg-arg-thr-ser-lys-leu-met-lys-arg)、rrrrnrtrrnrrrvr(arg-arg-arg-arg-asn-arg-thr-arg-arg-asn-arg-arg-arg-val-arg)、kmtraqrraaarrnrwtar(lys-met-thr-arg-ala-gln-arg-arg-ala-ala-ala-arg-arg-asn-arg-trp-thr-ala-arg)、trrqrtrrarrnr(thr-arg-arg-gln-arg-arg-ala-arg-arg-asn-arg)、rrrrrrrr(arg-arg-arg-arg-arg-arg-arg-arg)或grrrrrrrrrppq(gly-arg-arg-arg-arg-arg-arg-arg-arg-arg-pro-pro-gln)中的任意一种。

优选地，所述材料还包括信号分子和/或药物分子，所述信号分子和/或药物分子连接在响应性多肽上。信号分子可以用于观察材料在细胞内的滞留以及材料的形态变化等，药物分子可以用于肿瘤化疗或系统免疫激活用于免疫治疗。

优选地，所述信号分子为具有光声成像效应的分子、具有极性响应荧光效应分子或具有近红外荧光效应的分子中的任意一种。

优选地，所述具有光声成像效应的分子为紫红素-18卟啉类化合物。

优选地，所述具有极性响应荧光效应分子为4-(n,n-二甲氨基磺酰)-7-氟-2,1,3-苯并恶二唑(dbd)类化合物。

优选地，所述具有近红外荧光效应的分子为花菁类化合物，优选cy5、cy6或cy7中的任意一种或至少两种的组合进一步优选cy7。

优选地，所述药物分子为苯达莫斯汀、苯丁酸氮芥或甲氨蝶呤中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述响应性多肽和穿膜肽通过酰胺键连接在一起。

优选地，所述多肽序列作为侧链接枝在温敏聚合物的骨架上。

优选地，所述接枝通过迈克尔加成法实现，即通过温敏聚合物中的双键与响应性多肽中巯基进行迈克尔加成，从而实现将多肽序列接枝在温敏聚合物的骨架上。

优选地，所述温敏聚合物的分子量为20-80kd，例如20kd、25kd、30kd、35kd、40kd、45kd、50kd、55kd、60kd、65kd、70kd、75kd或80kd，优选40kd。当温敏聚合物的分子量小于20kd时，会使得本发明所述的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料的响应性变差，并且分子量太小或太大，均会使得材料对细胞的毒性增大。

优选地，所述多肽连接比例为0.5-3％，例如0.5％、0.8％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.3％、2.5％、2.8％或3％，优选1％。在本发明中，所述多肽连接比例指的是多肽连接在温敏聚合物骨架上的量，具体的是：多肽与构成温敏聚合物的单体或单体混合物(当聚合物由两种以上单体聚合得到时，单体混合物指两种以上单体的总和)的摩尔百分比。

优选地，所述信号分子通过酰胺键与响应性多肽连接在一起。

在本发明中，所述细胞内构筑温度响应性聚集体的材料可以通过本领域已知的技术手段进行制备，例如可以通过本领域已知的聚合手段例如raft聚合来合成所需的温敏聚合物，通过多肽固相合成法合成多肽序列，任选地在多肽序列上连接上信号分子和/或药物分子，并通过迈克尔加成将多肽序列的响应性多肽端接枝在温敏聚合物的骨架上得到所述的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料。

另一方面，本发明提供了一种成像剂，所述成像剂包括如上所述的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料。

在本发明中可以利用所述细胞内构筑温度响应性聚集体的材料作为成像剂，以观察材料在细胞内的滞留以及材料的形态变化等。

另一方面，本发明提供了一种药物递送材料，所述药物递送材料包括如上所述的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料。

在本发明中可以利用所述的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料作为药物递送材料，将该材料携带的药物递送至细胞内，达到靶向递送目的，并且提高在细胞内的滞留。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料通过穿膜肽辅助进胞，进入细胞后对胞内特定刺激信号做出响应，移除亲水性的多肽，改变材料的相转化温度到生理温度37℃以下，最终导致材料的塌缩聚集，形成纳米聚集体。该策略可以实现材料在细胞内的长时间滞留，对于活细胞成像或高滞留率的药物递送，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1的步骤(1)制备得到的多肽序列的hplc谱图；

图2为实施例1的步骤(1)制备得到的多肽序列的maldi-tof谱图；

图3是实施例1的步骤(2)制备得到的双键功能化的聚合物以及步骤(3)制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料的核磁氢谱；

图4为实施例1制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料在半胱氨酰天冬氨酸特异性蛋白酶-3切割前后的最低临界溶解温度曲线图；

图5为实施例1中制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料在半胱氨酰天冬氨酸特异性蛋白酶-3切割后的聚集体的扫描电子显微镜图，其标尺为2μm；

图6为实施例3的步骤(1)制备得到的多肽序列的hplc谱图；

图7为实施例3的步骤(1)制备得到的多肽序列的maldi-tof谱图；

图8为实施例4的步骤(1)制备得到的多肽序列的hplc谱图；

图9为实施例4的步骤(1)制备得到的多肽序列的maldi-tof谱图；

图10为实施例1制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料在荷瘤小鼠肿瘤部位形成聚集体后的荧光长效成像图；

图11为实施例1制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料在荷瘤小鼠肿瘤部位形成聚集体后的荧光成像量化图；

图12为实施例1制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料在荷瘤小鼠体内形成聚集体后荧光强度与肿瘤大小的关系图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

在本实施例中，所述细胞内构筑温度响应性聚集体的材料中多肽序列(包括响应性多肽和穿膜肽)为cys-lys-asp-glu-val-asp-gly-arg-lys-lys-arg-arg-gln-arg-arg-arg-pro-gln，温敏性聚合物为聚n-异丙基丙烯酰胺，合成方法如下：

(1)合成响应性多肽cys-lys-asp-glu-val-asp-gly-arg-lys-lys-arg-arg-gln-arg-arg-arg-pro-gln，即

多肽合成采用fmoc固相合成法合成：合成选用0.35mm修饰密度的wang树脂，其中第一个氨基酸(谷酰胺)c端被固定于树脂上，n端被fmoc保护。用20％(v/v)的六氢吡啶的dmf溶液脱去fmoc保护，然后用茚三酮测试法测试去保护结果。然后将下一个氨基酸的羧基用0.4m的4-甲基吗啉(nmm)和0.4m的苯并三氮唑-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯(hbtu)的dmf溶液活化，并加入到脱去保护的树脂中反应1小时。完成所有序列氨基酸的反应后，用含有2.5％水、2.5％三异丙基硅烷和2.5％1,2-乙二硫醇的三氟乙酸溶液将合成好的多肽从树脂上脱除，同时脱除氨基酸的侧链保护。将三氟乙酸用旋转蒸发法去除，然后多肽的粗产物用无水乙醚沉淀，洗涤并干燥。最后选用反相制备液相色谱，将多肽纯化。纯化过程的条件是：流动相是含有0.1％三氟乙酸的乙腈和含有0.1％三氟乙酸的双蒸水；参数是梯度洗脱从5％乙腈/95％水到60％乙腈/40％水，流速为10ml/min，处理时间为30min；检测器为紫外检测器，检测波段为220nm。

(2)温敏聚合物聚n-异丙基丙烯酰胺的制备

称取39.6mmol的n-异丙基丙烯酰胺、0.4mmol的n-(2-羟乙基)丙烯酰胺、0.1mmol的2-(十二烷基三硫代碳酸酯基)-2-甲基丙酸和0.02mmol的偶氮二异丁腈，并溶解在5ml的n，n'-二甲基甲酰胺中。通氮气30分钟后在氮气氛围下65℃反应10小时后将反应暴露在空气中并迅速放入冰浴中停止反应。反应得到的溶液用少量四氢呋喃稀释并用预冷的己烷沉淀。得到的沉淀通过离心收集，再次溶解在2ml的四氢呋喃中并用己烷沉淀，该纯化过程重复五次。最后冷冻干燥得到聚合物。

称取1g聚合物和过量的异氰酸酯丙烯酸乙酯、0.9wt％的4,4'-亚甲基双(2,6-二叔丁基苯酚)和0.1wt％的二月桂酸二丁基锡，并溶解在1ml的n，n'-二甲基甲酰胺中，40℃反应36小时后用预冷的乙醚沉淀两次，抽滤并真空干燥2小时得到双键功能化的聚合物。

(3)温度响应性聚合物-多肽接合物的制备

称取30mg的双键功能化的聚合物和7mg多肽，并溶解在300l的二甲基亚砜中，加入两滴三乙胺后37℃反应24小时，透析后冷冻干燥得到温度响应性聚合物-多肽接合物，即所述细胞内构筑温度响应性聚集体的材料。

在本实施例中，步骤(1)制备得到的响应性多肽的hplc谱图如图1所示，由该图可知，多肽在流动相中的保留时间为15.3分钟。步骤(1)制备得到的响应性多肽的maldi-tof谱图如图2所示，由该图可知，多肽的分子量为2310.8。

步骤(2)制备得到的双键功能化的聚合物以及步骤(3)制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料的核磁氢谱如图3所示，化学位移值δ＝3.43ppm和δ＝3.18ppm分别对应-och2-跟-ch2-；δ＝3.85ppm和δ＝1.05ppm对应n-异丙基丙烯酰胺中的-ch-以及-ch3。δ＝9.0-8.0对应多肽上的-conh-。化学位移δ＝6.4-5.8ppm处的消失表示多肽成功连接到聚合物骨架上。

步骤(3)制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料在添加响应性刺激半胱氨酰天冬氨酸特异性蛋白酶-3前后的相转变温度曲线如图4所示，在酶加入之前，材料的相转变温度在生理温度37℃之上，保证材料为单链舒展状态，在酶加入后，材料的相转变温度降到37℃之下，材料变的疏水而发生聚集，得到较为均一的聚集体，如图5所示，聚集体大小为670±160nm。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，在步骤(1)合成的过程中，最后一个氨基酸采用boc-cys(trt)-oh，与该cys相连的lys侧链氨基由dde保护。当用2％的水合肼脱除dde后，将信号分子cy5的羧基与此lys侧链氨基以酰胺键相连。而后经过与实施例1相同的步骤(2)和步骤(3)制备得到带有信号分子的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料。

实施例3

在本实施例中通过与实施例2中步骤(1)相同的固相合成法合成了以下结构的多肽序列ck(s-s)dgrkkrrqrrrpq：

图6为多肽序列ck(s-s)dgrkkrrqrrrpq的hplc谱图，由该图可知，多肽在流动相中的保留时间为17.6分钟。

图7为多肽序列ck(s-s)dgrkkrrqrrrpq的maldi-tof谱图，由该图可知，多肽的分子量为2131.5。

利用该多肽序列ck(s-s)dgrkkrrqrrrpq通过与实施例1中步骤(2)和步骤(3)相同的步骤最终制备得到细胞内构筑温度响应性聚集体的材料。

实施例4

在本实施例中通过与实施例2中步骤(1)相同的固相合成法合成了以下结构的多肽序列cktfgfgrkkrrqrrrppq：

图8为多肽序列cktfgfgrkkrrqrrrppq的hplc谱图，由该图可知，多肽在流动相中的保留时间为14.6分钟。

图9为多肽序列cktfgfgrkkrrqrrrppq的maldi-tof谱图，由该图可知，多肽的分子量为2304.9。

利用该多肽序列cktfgfgrkkrrqrrrppq通过与实施例1中步骤(2)和步骤(3)相同的步骤最终制备得到细胞内构筑温度响应性聚集体的材料。

实施例5

对实施例2制备的得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料在荷瘤小鼠体内的长效成像：

向荷瘤小鼠体内通过尾静脉注射阿霉素和生理盐水，每四天注射一次，共注射四次，阿霉素的注射浓度为每千克小鼠注射5毫克的阿霉素。注射完阿霉素和生理盐水后，向荷瘤小鼠体内通过尾静脉注射荧光分子标记的温度响应性聚合物-多肽接合物，接合物的注射浓度为每千克小鼠注射80毫克的接合物。选取0.5、1、3、6、9、12和24小时时间节点，观察在不同的时间点小鼠肿瘤部位的荧光成像。老鼠的影像图如图10所示，荧光定量数据如图11所示，数据显示未形成聚集体的材料很快在老鼠体内清除，而形成聚集体的材料在肿瘤内在3小时的时候荧光值达到最高，随着时间的延长，荧光有微弱的降低，说明荧光标记的聚集体在肿瘤内有长效的滞留。对实施例1和实施例3以及实施例4制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料进行相同的实验测试，得到同样的结果，证明荧光标记的聚集体在肿瘤内有长效的滞留。

实施例6

对实施例2制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料聚集对荷瘤小鼠治疗效果的评价：

向荷瘤小鼠体内通过尾静脉注射阿霉素和生理盐水，每四天注射一次，共注射四次，阿霉素的注射浓度为每千克小鼠注射5毫克的阿霉素。注射完阿霉素和生理盐水后，向荷瘤小鼠体内通过尾静脉注射荧光分子标记的温度响应性聚合物-多肽接合物，注射浓度为每千克小鼠注射80毫克的聚合物-多肽接合物。每次在接合物注射后的3小时节点读取荧光数据，将荧光数据与肿瘤的体积变化拟合如图12所示，聚集体反映的荧光强度与肿瘤的体积变化成线性相关，肿瘤体积小对应的荧光值也小，说明细胞内构筑温度响应性聚集体可以对荷瘤小鼠治疗效果进行评价。对实施例1和实施例3以及实施例4制备得到的细胞内构筑温度响应性聚集体的材料进行相同的实验测试，得到同样的结果，证明得到的材料可以对荷瘤小鼠治疗效果进行评价。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。