中科院大连化物所卿光焱团队IM综述：生物分子响应型聚合物及其在生物医学中的应用

Y. Xiong, M. Li, G. Qing. Biomolecule-responsive polymers and their bio-applications. Interdiscip. Mater. 2024; 3(6). doi: 10.1002/idm2.12210

1. 背景介绍

刺激响应型聚合物，通常被称为智能聚合物，具有对各种外部刺激（如温度、pH值、光和电场的变化）产生了各种化学或物理性质（如体积、润湿性、粘度和表面电荷）变化的能力，引起了广泛的关注。然而，从材料科学的角度来看，传统刺激响应型聚合物在实际生物体系中的应用存在几个挑战，包括低响应性和敏感性、有限的靶向性、较差的抗干扰能力和生物相容性。这些问题可以部分归因于聚合物在难以区分高丰度干扰物质和目标生物分子。值得注意的是，美国总统奥巴马于2015年启动了“精准医学计划”，目标是实现更准确的诊断、合理的疾病预防策略、更好的治疗选择以及为个体患者定制创新药物。因此，这一计划对生物材料设计的精度和靶向性提出了更高的要求。此外，2016年首次提出并于2022年由美国总统拜登重新启动的“癌症登月计划”，也强调了对刺激响应型聚合物在癌症预防、早期发现、治疗和治愈的精度和靶向性方面的更高要求。因此，迫切需要开发具有精确识别和灵敏响应性的新一代刺激响应型聚合物。这种需求刺激了生物分子响应型聚合物的开发，这些聚合物可以随着特定生物分子（包括糖、聚糖、核酸、肽、蛋白质等）的结合而发生断链或构象和性质变化。与受传统刺激（包括温度、溶液pH值、离子浓度、光、电场或磁场）调节的聚合物不同，生物分子响应型聚合物提供卓越的生物分子靶向性、出色的可控性和生物相容性，从而更好地满足对生物材料日益增长的需求。随着精准医学的不断发展，对生物分子响应型聚合物研究的迫切性急剧增长。

图1 生物分子响应型聚合物的设计理念和应用。

2. 生物分子响应型聚合物的构筑策略

针对目标生物分子，选择高效的生物分子识别受体是构筑生物分子响应型聚合物的第一步。随后，构筑生物分子响应型聚合物有两种最常见的设计策略：一种策略涉及将识别受体整合到柔性聚电解质中，而另一种策略是开发由识别单元、介导单元和功能转换单元组成的三组分聚合物。

图2 将识别受体整合到柔性聚电解质中的策略。

图3 三组分生物分子响应型聚合物设计理念。

3. 可控药物输送中的应用

在过去的几十年里，人们付出了巨大的努力来开发靶向药物递送系统，因为它们有可能解决与当前临床实践相关的几个关键问题，如治疗效果差和严重的副作用。生物分子响应型聚合物能够根据一系列生物分子和病理变化改变其性质，非常适合应用于药物控制释放领域。

图4 葡萄糖分子响应型聚合物应用于胰岛素递送系统。

4. 生物分子检测和传感中的应用

生物分子传感和检测方法通过将生物分子结合信号转化为易于量化的形式，能够实现对目标分析物的快速识别。近年来，在医疗诊断需求不断增长的推动下，新型传感和检测技术的发展取得了快速进展。利用精心设计的对生物分子有响应型的聚合物进行生物传感和检测，已成为一种可行的选择，能够满足人工材料与医学诊断领域生物系统集成中的特殊要求。

图5 生物分子响应型聚合物传感系统。

5. 分离富集中的应用

生物分子响应型聚合物为许多重要生物分子的分离和富集提供了新的可能性。一方面，由于这种材料的固有优势，识别精度大大提高。另一方面，生物分子的动态吸附和解吸行为可以通过聚合物链的构象转变来控制，这可以动态调节生物分子在色谱界面上的保留时间，甚至产生一些创新的分离模式。

图6 用于蛋白翻译后修饰富集的生物分子响应型聚合物。

6. 调节细胞粘附中的应用

刺激响应型聚合物由于其“智能”的物理化学特性，在生物医学应用中显示出巨大的前景。它们可用于构建具有可逆表面生物活性的刺激响应生物界面，从而能够动态调节细胞与材料的相互作用，从而巧妙地操纵基本的细胞行为，如粘附和迁移。

图7 多肽响应的动态生物界面。

7. 结论与展望

生物分子响应型聚合物作为智能聚合物的一个新分支，具有独特的优势，其特征是优异的生物分子敏感性和选择性、强抗干扰能力、高靶向性、可控性、特异响应性、显著的材料性能转换以及令人满意的生物相容性。与传统的刺激响应聚合物相比，生物分子响应型聚合物可以更好地满足精准医学对生物材料设计的要求。尽管生物分子响应型聚合物已经研究了几年，但它们的全部应用潜力仍需要不断探索。本文概述了生物分子响应型聚合物，追溯了它们的起源，并描述了它们的构建策略。此外，根据其应用总结了一系列代表性的生物分子响应型聚合物，包括可控药物递送、生物分子检测、生物传感、分离、富集和调节细胞粘附。重要的是，为了响应特定的生物分子结合，这些聚合物链可以发生断链或可逆的构象转变，同时伴随着材料性质的改变，如体积、粘度、润湿性和与大分子的粘附性。这种特殊的性质赋予了生物分子响应型聚合物的未来具有无限可能。

卿光焱

中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，生物分离与界面分子机制研究组组长，国家优青（结题优秀）。以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem. Sci.、Acc. Chem. Res.、CCS Chem.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano 等国际知名期刊上发表学术论文110篇。主要研究领域包括智能聚合物、生物界面、纳米孔传感、智能生物分离材料等。

李闵闵

中国科学院大连化学物理研究所副研究员。多项成果发表在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Chem. Sci.、Acc. Chem. Res.、Anal. Chem.、TrAC Trends Anal. Chem. 等期刊上。主要从事蛋白质磷酸化和糖基化纳米流体传感器的开发。

熊雨婷

中国科学院大连化学物理研究所博士后。近年来在J. Am. Chem. Soc.、Anal. Chem.、Acc. Chem. Res.、TrAC Trends Anal. Chem. 等国际知名学术期刊上发表文章40余篇。2022年获中国化学会色谱专业委员会颁发的“分离科学青年创新奖”及第24届全国色谱会“青年论坛优秀报告奖”。研究领域包括生物分子响应聚合物、蛋白翻译后修饰的分离和富集。