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Angew. Chem. :高分子囊泡膜拉伸变形助力气体递送与气体治疗能力的协同提升2025-04-28
气体递送载体可以在体内被内源性刺激触发,可控释放气体信号分子,用于治疗多种气体信号相关的疾病(如肿瘤、炎症和心血管疾病等),近年来逐渐成为生物医用纳米载体领域研究的重点。截至目前,绝大多数已知的气体递送载体多为各向同性的球形结构;然而,球状载体是否是气体分子释放与输运最为理想和优化的几何形态尚不清晰,气体分子的释放动力学与递送载体形状之间的量化关系也未得到研究。

近日,复旦大学闫强课题组与李剑锋教授合作,利用渗透压诱导的膜变形策略,构建了一种非球形的高分子纳米载体——聚合物管状囊泡(Tubesomes),通过调控管状体的膜轴向拉伸比(σ = L/D),显著提升了载体对硫化氢(H2S)气体信号分子的递送能力和在细胞内的气体治疗效果,并解析了高分子载体几何形状与气体释放动力学之间的量化关系。

 

 

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通过制备含苯硫代酯侧基的响应性高分子,其可以在水溶液内自组装为球状囊泡结构,改变囊泡外部溶液的盐浓度可以借助膜内外渗透压的不平衡性实现在轴向上对囊泡膜的拉伸变形,进而获得各向异性渐增的椭圆体、短管直至长管状体。这种囊泡的形变机制不仅得到了实验证实,李剑锋教授还通过耗散动力学模拟得到与之吻合的囊泡演化过程。
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H2S气体响应性释放实验进一步揭示了管状囊泡的膜拉伸比(σ)与H2S释放动力学呈正相关性。相比于球形囊泡,管状囊泡的σ值增加了17倍,其相应的H2S释放速率提升了近4倍;根据气体跨膜扩散的Fick定律,可以推导出不同形态下气体释放的速率比(以球状囊泡为参考值)仅和囊泡的表面积(A)、体积(V)和膜厚(δ)相关,且满足vs/v0 ∝ A/(δ·V),并进一步证实了气体释放速率是囊泡变形因子σ的一个函数。更值得一提的是,我们不仅可以通过调控囊泡拉伸比σ提升载体对气体信号分子的释放与输运能力,该因子还可以同时增益载体在胞内的气体治疗能力,达到协同提升的目标。在人结肠癌细胞和肝癌细胞实验中,管状囊泡展现出明显优于球形囊泡的抗癌活性,同时对正常细胞(L02)的毒性显著降低。同时,研究表明管状囊泡能够成功内化到HepG2细胞中并高效释放H2S,显著提高了气体疗法的靶向性和安全性。

这项研究不仅为提高气体递送载体的治疗效率开辟了新方向,也为开发基于形态调控的气体纳米载体提供了重要启示。

论文第一作者是复旦大学博士生杨翠琴和博士生张玉连,通讯作者为复旦大学闫强研究员,研究工作得到了南京邮电大学许妙苗副教授、复旦大学李剑锋教授的支持。

文信息
Gas-Releasing Polymer Tubesomes: Boosting Gas Delivery of Nanovehicles via Membrane StretchingCuiqin Yang, Yulian Zhang, Prof. Dr. Miaomiao Xu, Prof. Dr. Jianfeng Li, Prof. Dr. Qiang Yan

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202421405