光响应性超分子水凝胶的蛋白质可控释放系统研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为荷兰莱顿大学莱顿化学研究所的Alexander Kros教授，共同第一作者为Ke Peng和Itsuro Tomatsu。研究成果于2010年5月13日以“Advance Article”形式在线发表于《Chemical Communications》（DOI: 10.1039/c002565h），并于同年收录于第46卷4094-4096页。

学术背景
研究领域为刺激响应性生物材料（stimuli-responsive biomaterials），聚焦于光控药物递送系统（light-controlled drug delivery）。传统蛋白质疗法面临临床递送技术瓶颈，如体内稳定性差、靶向性不足。水凝胶因其高含水性和生物相容性成为理想载体，但常规水凝胶的蛋白质释放依赖被动扩散或材料降解，难以实现时空精准控制。本研究基于偶氮苯-环糊精包合物（azobenzene-cyclodextrin inclusion complex）的光异构化特性，构建了一种新型葡聚糖基光响应水凝胶（dextran-based photo-responsive hydrogel），旨在通过紫外光触发实现蛋白质按需释放。

研究流程与方法
1. 材料合成与表征
- 偶氮苯修饰葡聚糖（AB-Dex）：通过硫醇-马来酰亚胺点击反应（thiol-maleimide “click” reaction），将3-[4-(苯偶氮)-苯氧基]-丙烷-1-硫醇（1）与马来酰亚胺化葡聚糖（Mal-Dex）在DMSO中反应12小时，经超滤冻干纯化。核磁共振氢谱（¹H NMR）证实偶氮苯成功接枝（化学位移δ=7.2, 7.6, 7.9），取代度（DS）为6。
- 环糊精修饰葡聚糖（CD-Dex）：类似方法将单-6-硫代-β-环糊精（2）与Mal-Dex在水中反应4小时，¹H NMR显示CD特征峰（δ=5.1），DS为5。

1. 光响应性验证

   • 光异构化分析：紫外光（365 nm）照射4小时后，¹H NMR显示AB-Dex中反式偶氮苯（trans-AB）峰消失，顺式（cis-AB）峰出现，异构化效率>95%。
     
   • NOESY谱验证：仅反式偶氮苯与CD空腔质子（C-3, C-5, C-6）存在核奥弗豪泽效应（NOE），证明其包合作用具光开关特性。
     

2. 水凝胶构建与蛋白质负载

   • 凝胶形成：将反式AB-Dex（67 mg/mL）与CD-Dex（100 mg/mL）在PBS中混合，通过trans-AB与CD的超分子交联形成三维网络。
     
   • 蛋白质包封：将绿色荧光蛋白（GFP）溶解于聚合物溶液中，物理包裹于凝胶基质。
     

3. 光控释放实验

   • 释放动力学：负载GFP的水凝胶（18 mg）置于2 mL PBS中，紫外照射后监测溶液荧光强度。结果显示：未照射时GFP释放量<10%；照射10分钟后释放启动，60分钟释放40%，2小时达65%。
     

主要结果与逻辑链条
1. 材料特性：AB-Dex和CD-Dex的合成效率高（DS 5-6），且光异构化可逆，为动态交联奠定基础。
2. 凝胶-溶胶转换：NOESY数据证实trans-AB/CD包合是凝胶化的关键驱动力，紫外光触发解离导致网络崩塌。
3. 释放控制：GFP释放曲线与凝胶溶解速率一致，证明光响应性可精确调控蛋白质释放动力学。

结论与价值
1. 科学价值：首次将偶氮苯-环糊精光开关机制应用于葡聚糖水凝胶，拓展了超分子材料的设计策略。
2. 应用潜力：
- 时空精准递送：适用于需局部刺激的疾病（如皮肤病变或肿瘤）。
- 斑马鱼模型兼容性：365 nm紫外光可穿透斑马鱼胚胎，为药物筛选提供新工具。

研究亮点
1. 创新方法：利用硫醇-马来酰胺点击反应高效构建功能化聚合物，避免复杂保护/脱保护步骤。
2. 多维验证：结合¹H NMR、NOESY和荧光动力学，多尺度表征材料性能与释放机制。
3. 生物兼容性：葡聚糖和环糊精均为临床获批材料，转化障碍低。

其他价值
作者指出可通过提高聚合物分子量和功能基团密度进一步降低泄漏率，为后续优化指明方向。目前该体系正被用于斑马胚胎的药物筛选研究（参考文献19）。