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Biomacromolecules | 首次证明聚乙二醇与透明质酸在水性介质中相互作用

今天为大家介绍的是最近在Biomacromolecules上报道的一篇标题为 “Poly(Ethylene Glycol) Interacts with Hyaluronan in Aqueous Media” 的文章。该文的通讯作者是罗蒙诺索夫莫斯科国立大学化学学院高分子系的Irina D. Grozdova教授。

早在1960年,H. E. SwimR. F. Parker发现环氧乙烷和环氧丙烷的亲水性三嵌段共聚物Pluronics可以刺激细胞数量的增加。这一有趣的现象吸引了一批研究者探究聚合物与细胞的相互作用。2007, K. Higashitani等人发现仅聚乙二醇PEG)就可达到类似效果。而PEG作为一种目前广泛使用的生物材料,理解其与细胞膜的相互作用对于设计新型药物制剂、人工器官或细胞等有着重要意义。

已有研究表明,Pluronics对细胞表面的粘附提高了细胞对机械损伤的抵抗力和细胞修复能力。同样地,学者也发现了PEG对细胞表面的相互作用。然而后续研究未发现蛋白质作为结合靶标的任何证据,因此人们开始广泛地认为多糖更满足和PEG形成氢键的需求——PEG的醚氧可作为氢键质子受体,多糖的羟基可作为氢键质子供体。已证明PEG可与纤维素的伯羟基强烈相互作用,但该现象是在N,N-二甲基乙酰胺中发生的。然而,目前依然没有在水性环境中证明PEG与多糖的相互作用。这对解释PEG的促细胞增殖效应密切相关。

多糖透明质酸(HA)是细胞分泌在细胞表面粘稠物(糖萼)的主要成分之一,与糖萼其他成分形成氢键参与细胞增殖和形态的调控。在本文中,作者开展了验证PEGHA在水性介质中的相互作用的研究。

1. 该工作中模型分子的结构式


首先,作者在磷酸盐缓冲液中检测了PEG350 kDaHA的粘度的影响,结果表明PEG可降低HA的粘度。作者还分析了HAPEG混合物的动态黏度(图2)。图2a所示曲线的二阶导数小于0,即混合物粘度随着HA比例上升而趋于平缓。根据动态粘度的对数加和法则,这证明了混合物中HAPEG的相互作用。在Pluronic F68(结构参见图1)和尺寸稍小的HA也观察到了类似的现象(图2b-1和图2b-2)。与聚合物HA形成鲜明对比的是,HA单体组分则表现出与PEG相容但不相互作用。作者认为PEGHA相互作用的驱动力是大量氢键的产生,而单个氢键的贡献极小,因此PEG和单糖的相互作用很弱。

2. HA-PEG混合物的动态黏度。(aPEG + HA 350 kDa;(b1) Pluronic F68 + HA 350 kDa2) PEG + HA 108 kDa3) PEG + N-乙酰基-D-葡萄糖胺(蓝色三角形)或D-葡萄糖醛酸(蓝色倒三角形)或D-葡萄糖(圆圈)。


作者进一步通过傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析了水相中PEGHA相互作用的基团。结果发现在PEG会造成HA光谱中1415 cm-1的吸收峰移动至1410 cm-1,表明PEG诱导HA羟基的振动模式发生了变化,说明了HA的羟基参与了PEG结合。HA分子中羟基分布如图1所示。作者通过等温滴定量热法(ITC)证明了是HA中伯羟基参与了和PEG的相互作用,并且平均3.3EG单元与HA的一个二糖重复单元结合。

3. aATR-FTIR中有无PEG时羟基峰的位移;(bPEG分别和HA与葡聚糖的ITC结果图。


有趣的是,作者发现PEG可降低溶液中HA的流体动力学尺寸。没有HA时,PEG不影响脂质体尺寸;而在HA包被的阳离子脂质体中添加PEG,脂质体半径减小。

总的来说,Irina D. Grozdova等人首次证明了水性介质中PEGHA的相互作用,而PEG与任何单糖的相互作用都很弱。结果表明,PEG-HA复合物中,HA的每个二糖重复单元平均与3.3EG单元相互作用。而相互作用主要来自于HA的游离伯羟基。另外,他们发现PEG会造成HA的坍缩,这可能可以解释PEG对细胞膜物理性质的改变。


作者:SJL 审校:LJH

DOI: 10.1021/acs.biomac.0c01504

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.0c01504


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