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Biomac专栏|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。

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)。

2. 不同pHTDP的凝胶化结果

由前体在特定条件下形成凝胶层的设计有助于应用于尿路感染治疗等领域。作者通过实验验证了在PEG-4MALTDP溶液界面间凝胶的原位形成。将上述两种前体液滴分隔于硅油中,在pH=8.5下被迫合并后,能够观察到液滴间凝胶薄层的出现,此时凝胶化仅发生于界面处。而当pH=6.5时,凝胶化则不发生(图3

3. 硅油中PEG-4MALTDP液滴的混合与界面凝胶化


综上,本文报告了一种依靠前体在特定pH值下原位成胶的凝胶设计,该反应基于硫代多肽的硫醇-硫酯交换反应活化,并进一步马来酰亚胺官能化的多臂聚乙二醇反应生成聚合物网络。这一反应能够在特定pH引发下驱动原位局部水凝胶形成,并在组织再生中具有潜在的应用前景。


作者:ZZC    审校:LJH

DOI: 10.1021/acs.biomac.0c01690

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.0c01690


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