苯硼酸选择性结合的pH响应脂质体用于药物递送

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220385

摘要/Abstract

摘要：

通过取代反应和酯化反应合成了一端以酰胺键连接苯硼酸（PBA）另一端以酯键连接硬脂酸（SA）的聚乙二醇（PEG）的衍生物PBA-PEG-SA，并将之与二硬脂酰胆碱磷酸（DSCP）、胆固醇（CH）共组装制备了一种具有pH响应特性的脂质体（Lip）。研究表明，当m（PBA-PEG-SA）∶m（CH）∶m（DSCP）=1∶3∶10共组装时，所制备的脂质体的粒径为115 nm，在20 d内保持良好的粒径稳定性，并且具有良好的生物相容性，在质量浓度达到800 μg/mL时，小鼠胚胎成纤维细胞（NIH-3T3）和肝癌细胞（HepG2）的存活率皆可达到90%以上。同时，由于苯硼酸与果糖（Fru）的选择性结合，在负载阿霉素（Dox）后，与DSCP脂质体药物（Lip/Dox）相比，Fru/PBA/Lip/Dox脂质体可以有效增强对HepG2细胞的毒性，降低对正常细胞NIH-3T3的毒性，同时也改善了细胞对载药脂质体的内吞作用。因此，DSCP与PBA-PEG-SA共组装形成的脂质体，具有良好的pH响应性能以及增强脂质体在肿瘤组织的富集能力，在肿瘤治疗领域具有较好的应用前景。

关键词: pH响应, 苯硼酸, 共组装脂质体, 药物递送

Abstract:

A polyethylene glycol （PEG） derivative PBA-PEG-SA， which connects phenylboronic acid （PBA） with an amide bond at one end and stearic acid （SA） with an ester bond at the other end， is synthesized by substitution reaction and esterification reaction. And a liposome with pH response characteristics is prepared by co-assembly of PBA-PEG-SA with distearyl choline phosphate （DSCP） and cholesterol （CH）. When PBA-PEG-SA， cholesterol and DSCP are assembled at a mass ratio of 1∶3∶10， the particle size of the prepared liposome is 115 nm， and it could maintain good particle size stability within 20 d. In addition， the liposome has good biocompatibility. When the concentration reaches 800 μg/mL， the survival rate of mouse embryonic fibroblast （NIH-3T3）and hepatoma cell （HepG2） can reach more than 90%. At the same time， after loading doxorubicin （Dox）， compared with DSCP liposomes （Lip/Dox）， Fru/PBA/Lip/Dox liposomes modified with PBA and coated with Fru can effectively enhance the cytotoxicity of HepG2， reduce the toxicity to normal cells NIH-3T3， and improve the endocytosis of cells to drug-loaded liposomes due to the selective binding of phenylboronic acid and fructose. Therefore， the liposomes co-assembled by DSCP and PBA-PEG-SA have good pH response performance and enhance the enrichment ability of liposomes in tumor tissue， which will have good application prospects in the field of tumor therapy.

Key words: pH response, Phenylboronic acid, Co-assembled liposomes, Drug delivery

中图分类号:

O632

谢信涛, 江桑铌, 于喜飞. 苯硼酸选择性结合的pH响应脂质体用于药物递送[J]. 应用化学, 2023, 40(6): 860-870.

Xin-Tao XIE, Sang-Ni JIANG, Xi-Fei YU. Selective Binding pH Responsive Liposomes with Phenylboronic Acid for Drug Delivery[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2023, 40(6): 860-870.

图/表 8

图1 基于苯硼酸选择性结合的pH响应脂质体给药示意图

Fig.1 Schematic illustration of pH responsive liposome administration based on selective binding of phenylboronic acid

图2 PBA-PEG-SA和PEG-SA的1H NMR（A）和FT-IR（B）谱图

Fig.2 1H NMR （A） and FT-IR （B） spectra of PBA-PEG-SA and PEG-SA

表1 Lip、PEG/Lip、Fru/PEG/Lip、PBA/Lip及Fru/PBA/Lip脂质体的粒径、PDI和Zeta电位

Table 1 The size， PDI and Zeta potential of Lip， PEG/Lip， Fru/PEG/Lip， PBA/Lip and Fru/PBA/Lip

Sample	Size/nm	PDI	Zeta potential/mV
Lip	120.0±0.6	0.08±0.02	-11.6±2.1
PEG/Lip	114.4±0.5	0.15±0.06	-13.2±1.2
Fru/PEG/Lip	/	/	-12.9±1.5
PBA/Lip	116.7±1.2	0.16±0.04	-12.6±1.7
Fru/PBA/Lip	115.4±0.9	0.15±0.05	-16.8±1.9

图3 Lip、PEG/Lip、PBA/Lip和Fru/PBA/Lip脂质体的粒径分布（A）；载药前后Fru/PBA/Lip脂质体的粒径分布（B）； Fru/PBA/Lip脂质体载Dox前（C）和载Dox后（D）的透射电子显微镜图Fig.?3　Particle size distribution of Lip，PEG/Lip，PBA/Lip and Fru/PBA/Lip liposomes （A）； Fru/PBA/Lip liposomes before and after drug loading （B）； Transmission electron microscopy of Fru/PBA/Lip liposomes before （C） and after （D） Dox loading

表2 Lip、PEG/Lip、PBA/Lip及Fru/PBA/Lip脂质体的载药量和包封率

Table 2 The DLC and DLE of Lip， PEG/Lip， PBA/Lip and Fru/PBA/Lip

Sample	DLC/%	DLE/%
Lip	15.5±1.7	87.5±5.3
PEG/Lip	18.2±2.1	89.6±6.3
PBA/Lip	18.6±2.8	91.2±4.2
Fru/PBA/Lip	18.6±2.8	91.2±4.2

图4 （A）Fru/PBA/Lip/Dox脂质体在20 d内的粒径变化；（B）Fru/PBA/Lip/Dox脂质体分别在pH=6.5和7.4缓冲溶液中的药物体外释放曲线

Fig.4 （A） The particle size change of Fru/PBA/Lip/Dox liposomes within 20 d；（B） The drug release curve of Fru/PBA/Lip/Dox liposomes in vitro in buffer solution with pH=6.5 and 7.4

图5 Lip、PEG/Lip、PBA/Lip和Fru/PBA/Lip脂质体分别在NIH-3T3细胞（A）和HepG2细胞（B）中的细胞存活率；不同质量浓度PEG/Lip和Fru/PBA/Lip脂质体与小鼠红细胞孵育2 h后的溶血现象（C）和对应的溶血百分比（D）

Fig.5 Cell survival rates of Lip，PEG/Lip，PBA/Lip and Fru/PBA/Lip liposomes in NIH-3T3 cells （A） and HepG2 cells （B）， respectively； Hemolysis phenomenon （C） and corresponding hemolysis percentage （D） after incubating mice red blood cells with different concentrations of PEG/Lip and Fru/PBA/Lip liposomes for 2 h

图6 Lip/Dox、PEG/Lip/Dox、PBA/Lip/Dox和Fru/PBA/Lip/Dox脂质体分别在NIH-3T3细胞（A）和HepG2细胞（B）中的细胞存活率；用流式细胞仪分析PBA/Lip/Dox和Fru/PBA/Lip/Dox脂质体与NIH-3T3细胞和HepG2细胞孵育4 h后细胞内荧光强度（C）及平均荧光强度（D）； Lip/Dox （i）、PEG/Lip/Dox （ii）、PBA/Lip/Dox （iii）和Fru/PBA/Lip/Dox （iv）脂质体分别在NIH-3T3细胞（E）和HepG2细胞（F）孵育4 h后的荧光显微镜图（标尺：20 μm）

Fig.6 Cell survival rates of Lip/Dox， PEG/Lip/Dox， PBA/Lip/Dox and Fru/PBA/Lip/Dox liposomes in NIH-3T3 cells （A） and HepG2 cells （B）， respectively； The intracellular fluorescence intensity （C） and average fluorescence intensity （D） of PBA/Lip/Dox and Fru/PBA/Lip/Dox liposomes incubated with NIH-3T3 cells and HepG2 cells for 4 h were analyzed by flow cytometry； Fluorescence microscopy of Lip/Dox （i）， PEG/Lip/Dox （ii）， PBA/Lip/Dox （iii） and Fru/PBA/Lip/Dox （iv） liposomes incubated in NIH-3T3 cells （E） and HepG2 cells （F） for 4 h， respectively（scale bar： 20 μm）

参考文献 29

1	LI Q， WEN C， YANG J， et al. Zwitterionic biomaterials［J］. Chem Rev， 2022， 122（23）： 17073-17154.
2	WANG W， YANG J， ZHANG E， et al. L-Carnitine derived zwitterionic betaine materials［J］. J Mater Chem B， 2017， 5（44）： 8676-8680.
3	LI M， DU C， GUO N， et al. Composition design and medical application of liposomes［J］. Eur J Med Chem， 2019， 164： 640-653.
4	KUMIKO K， KOHKI Y， YUKI T， et al. Physicochemical characterization of liposomes that mimic the lipid composition of exosomes for effective intracellular trafficking［J］. Langmuir， 2020， 36（42） 4： 12735-12744.
5	韩旭，丁冠宇，董青，等. 基于脂质体的纳米基因载体的研究进展［J］. 应用化学， 2018， 35（7）： 735-744.
	HAN X， DING G Y， DONG Q， et al. Research progress of nano-gene carriers based on liposomes［J］. Chin J Appl Chem， 2018， 35（7）： 735-744.
6	LI T， CIPOLLA D， RADES T， et al. Drug nanocrystallisation within liposomes［J］. J Control Release， 2018， 288： 96-110.
7	ZHANG P， ZHANG L， QIN Z， et al. Genetically engineered liposome-like nanovesicles as active targeted transport platform［J］. Adv Mater， 2018， 30（7）：1705350 .
8	YU X， LIU Z， JANZEN J， et al. Polyvalent choline phosphate as a universal biomembrane adhesive［J］. Nat Mater， 2012， 11（5）： 468-476.
9	FONG W K， SANCHEZ F A， RAPPOLT M， et al. Structural transformation in vesicles upon hydrolysis of phosphatidylethanolamine and phosphatidylcholine with phospholipase C［J］. Langmuir， 2019， 35（46）： 14949-14958.
10	PERTTU E K， KOHLI A G， SZOKA F C， et al. Inverse-phosphocholine lipids： a remix of a common phospholipid［J］. J Am Chem Soc， 2012， 134（10）： 4485-4488.
11	LUKYANOV A N， ELBAYOUMI T A， CHAKILAM A R， et al. Tumor-targeted liposomes： doxorubicin-loaded long-circulating liposomes modified with anti-cancer antibody［J］. J Control Release， 2004， 100（1）： 135-144.
12	FILIPCZAK N， PAN J， YALAMARTY S S K， et al. Recent advancements in liposome technology［J］. Adv Drug Deliv Rev， 2020， 156： 4-22.
13	LI C， QIU Q， LIU M， et al. Sialic acid-conjugate modified liposomes targeting neutrophils for improved tumour therapy［J］. Biomater Sci， 2020， 8（8）： 2189-2201.
14	LIU Y， GAO D， ZHANG X， et al. Antitumor drug effect of betulinic acid mediated by polyethylene glycol modified liposomes［J］. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl， 2016， 64： 124-132.
15	LEE R J， LOW P S. Folate-mediated tumor cell targeting of liposome-entrapped doxorubicin in vitro［J］. Biochim Biophys Acta， 1995， 1233 （2）： 134-144.
16	MOREIRA J N， HANSEN C B， GASPAR R， et al. A growth factor antagonist as a targeting agent for sterically stabilized liposomes in human small cell lung cancer［J］. Biochim Biophys Acta， 2001， 1514（2）： 303-317.
17	COX T R. The matrix in cancer［J］. Nat Rev Cancer， 2021， 21（4）： 217-238.
18	ZHANG X， WANG J， HE X， et al. Tailor-made boronic acid functionalized magnetic nanoparticles with a tunable polymer shell-assisted for the selective enrichment of glycoproteins/glycopeptides［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2015， 7（44）： 24576-24584.
19	MATSUMOTO A， KATAOKA K， MIYAHARA Y. New directions in the design of phenylboronate-functionalized polymers for diagnostic and therapeutic applications［J］. Polym J， 2014， 46（8）： 483-491.
20	NAKAHATA M， MORI S， TAKASHIMA Y， et al. pH- and sugar-responsive gel assemblies based on boronate-catechol interactions［J］. ACS Macro Lett， 2014， 3（4）： 337-340.
21	TAN L， YANG M Y， WU H X， et al. Glucose- and pH-responsive nanogated ensemble based on polymeric network capped mesoporous silica［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2015， 7（11）： 6310-6316.
22	黄琼卫，赵丽，宋之明，等. 葡萄糖敏感苯硼酸基高分子纳米药物传输体系［J］. 应用化学， 2017， 34（7）： 733-743.
	HUANG Q W， ZHAO L， SONG Z M， et al. Phenylboronic acid-based glucose-sensitive polymer nanocarriers used as drug delivery systems［J］. Chin J Appl Chem， 2017， 34（7）： 733-743.
23	ZHAO D， XU J Q， YI X Q， et al. pH-activated targeting drug delivery system based on the selective binding of phenylboronic acid［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2016， 8（23）： 14845-14854.
24	DESHAYES S， CABRAL H， ISHII T， et al. Phenylboronic acid-installed polymeric micelles for targeting sialylated epitopes in solid tumors［J］. J Am Chem Soc， 2013， 135（41）： 15501-15507.
25	ZHANG X， ALVES D S， LOU J， et al. Boronic acid liposomes for cellular delivery and content release driven by carbohydrate binding［J］. Chem Commun， 2018， 54（48）： 6169-6172.
26	WANG J L， HU X Y， HAN C G， et al. Lanthanide complexes for tumor diagnosis and therapy by targeting sialic acid［J］. ACS Nano， 2022， 16（9）： 14827-14837.
27	BULL C， STOEL M A， DENBROK M H， et al. Sialic acids sweeten a tumor's life［J］. Cancer Res， 2014， 74（12）： 3199-3204.
28	WANG W L， JIANG S N， LI S R， et al. Functional choline phosphate lipids for enhanced drug delivery in cancer therapy［J］. Chem Mater， 2021， 33（2）： 774-781.
29	JIANG S N， WANG W L， DONG L H， et al. infrared responsive choline phosphate lipids for synergistic cancer therapychem［J］. Chem Eur J， 2021， 27（49）： 12589-12598.

[1]	杜慧, 姚晨阳, 彭皓, 姜波, 李顺祥, 姚俊烈, 郑方, 杨方, 吴爱国. 过渡金属掺杂磁性纳米粒子在生物医学领域中的研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(3): 391-406.
[2]	马园园, 刘晗婷, 彭利, 马敬红, 龚静华. 微流控纺丝制备葡萄糖响应凝胶纤维[J]. 应用化学, 2018, 35(10): 1208-1214.
[3]	黄琼卫,赵丽,宋之明,冯祥汝,王清,丁建勋. 葡萄糖敏感苯硼酸基高分子纳米药物传输体系[J]. 应用化学, 2017, 34(7): 733-743.
[4]	徐海云, 刘起峰, 宋胜梅. 中位取代苯硼酸的含稠合外环的硼-二吡咯亚甲基染料类单糖荧光探针的合成与性能[J]. 应用化学, 2014, 31(12): 1405-1412.
[5]	耿同谋, 张霞. 疏水改性pH响应型智能水凝胶P(HEMA-NaAA-DiAC₁₆)的制备及其溶胀性能[J]. 应用化学, 2014, 31(02): 140-146.
[6]	周清清, 张宪哲, 刘和文. 含三螺吡喃单元大环分子的合成和酸致变色效应[J]. 应用化学, 2012, 29(12): 1371-1380.
[7]	李军波, 李桂珍, 刘志飞, 韩晨, 周惠云, 张军凯. 聚甲基丙烯酸单层修饰金纳米粒子的制备及pH响应性催化[J]. 应用化学, 2012, 29(10): 1143-1147.
[8]	高媛, 宁志刚, 宋春雷, 李洋, 张文德, 安会勇, 王丕新. pH值、盐浓度敏感性两性聚电解质微球的合成及性质[J]. 应用化学, 2011, 28(06): 624-628.
[9]	辛炳炜. 水对苯硼酸参与的偶联反应的促进作用[J]. 应用化学, 2008, 25(8): 895-898.
[10]	闫长领, 卢雁, 高书燕. PS/pAPBA核-壳微球的制备和表征[J]. 应用化学, 2008, 25(4): 381-384.
[11]	张宏, 王新平, 杨鹏宇, 施继成. 钯-二茂铁配合物催化的suzuki-miyaura偶联反应[J]. 应用化学, 2007, 24(9): 986-990.
[12]	唐黎明, 戴宇. pH响应性聚氨酯薄膜的制备[J]. 应用化学, 2003, 20(6): 609-610.
[13]	袁道强, 舒友琴. 纳米Co3O4型固体pH电极的响应及应用[J]. 应用化学, 2002, 19(2): 202-204.
[14]	庄云龙, 漆德瑶. 锂离子选择性微电极在生物体液中的响应[J]. 应用化学, 1989, 0(2): 63-66.