基于硫醇-硫酯交换反应的pH驱动的凝胶合成

今天为大家推送的文献是发表于Biomacmolecules 的一篇文章，标题为“Thiol–Thioester Exchange Reactions in Precursors Enable pH-Triggered Hydrogel Formations”。本文的通讯作者是德国亥姆赫兹生物材料研究所的Andreas Lendlein教授。

作为一种和生物软组织结构相似的聚合物材料，水凝胶能够在特定领域代替细胞外基质的功能，在组织再生等领域有着潜在的应用价值。例如，发生尿路感染时，局部组织炎症导致pH上升（pH>7），最终导致肾结石等的形成。而典型的治疗手段则是利用凝胶形成类似体内的糖胺聚糖层，从而起到保护作用。然而，目前凝胶的应用仍有诸多挑战。大多数凝胶无法响应体内环境改变其形状与结构；而少有的几种pH触发的凝胶设计又往往采用希夫碱或硼酸等官能团，可能会发生非预期的反应，造成毒性等。

为解决上述问题，作者将“前药”这一药物递送领域的概念引入凝胶的合成中。前药本身生物活性较低，但在特定体内条件下，能够发生转化使其具有高生物活性。将前药引入凝胶中，能够规避传统原位成胶发生的非特异性反应的问题。由此，作者拟采用硫醇-硫酯交换反应实现潜在的“交联前药”的设计。硫醇-硫酯交换反应具有快速的反应动力学，能够在低浓度下以化学计量比实现反应。同时，该反应受到底物和产物硫醇pKa的严格限制。基于此，作者希望在特定pH下触发硫醇-硫酯交换反应，生成交联剂实现凝胶化。

作者设计了一种能够在中性与碱性条件下发生交换反应，生成α,ω-二硫醇的硫代十肽类似物TDP（图1）。该物种同时含有硫酯和游离巯基部分，其交换反应和进一步的迈克尔加成的交联反应都是pH依赖的，一旦pH高于临界值，生成所需的硫负离子，即可触发上述的交换与交联过程。Ac-Pro-Leu-Gly-acyl部分能够和半胱胺硫醇发生硫醇-硫酯交换反应，形成重排的硫代多肽RTDP，及α,ω-二硫醇结构的BTDP单元。这一反应的发生得益于半胱胺硫醇的更高的pKa，以及线性结构较低的空间位阻。作者通过HPLC-ESI-MS验证了上述结果。此外，在TDP冻干水溶液的¹H NMR谱图中未观察到半胱胺硫醇信号，同时在TOCSY谱图中观察到产物TXP的出现。

图1. TDP的设计与硫醇-硫酯交换反应过程

得到的BTDP能够进一步和马来酰亚胺官能团发生迈克尔加成反应。为此，作者加入了四臂聚乙二醇马来酰亚胺（PEG-4MAL）以实现凝胶化。为了实现快速交联，硫醇:马来酰亚胺的摩尔比为2:1。对照实验表明，该凝胶的形成必须同时具有活性硫醇和硫酯单元。此外，凝胶化过程和体系pH密切相关，高pH下成胶速率较快，凝胶的力学强度也较高（图2）。