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  聚合物-蛋白質雜化納米粒結合了聚合物和蛋白質的優(yōu)點，已廣泛應用于蛋白質遞送，生物傳感器以及蛋白質純化等領域。然而，找到適合于聚合物和蛋白質共組裝的溶劑是一個難點。具有最高臨界溶解溫度（UCST）的非離子型聚合物，在相轉變溫度（T_cp）上下通過聚合物間氫鍵作用會發(fā)生可逆變化，在T_cp以下可以形成水合凝聚相從而與親水性蛋白質共組裝，有望成為在水相中實現聚合物-蛋白質雜化的一個良好的選擇。聚丙烯酰胺（PAAm）是一種生物相容性聚合物，已廣泛應用于干細胞移植，細胞粘附和藥物遞送系統等領域。然而，由于其質子供體（-NH₂）活性較弱，其本身不能形成聚合物間氫鍵并且不能在水中表現出UCST行為，并且如何使其在較低濃度下獲得較高T_cp也是一個難點。近期，中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所張明明副研究員與寧波大學趙傳壯教授聯合開發(fā)了一種反應性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)，它不僅在低濃度下表現出較高的T_cp，而且具有良好的蛋白質捕獲和共組裝能力（圖1）。

圖1. 反應性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)及其與蛋白質共組裝的示意圖

  研究者通過可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合法將丙烯酰胺（AAm）與N-丙烯酰氧基琥珀酰亞胺（NAS）進行共聚，得益于NAS部分水解成丙烯酸（AAc），得到的共聚物P(AAm-co-NAS-co-AAc)表現出優(yōu)異的UCST行為。利用變溫紫外法以及微差示掃描量熱法研究其溫敏性（圖2），發(fā)現它在較低濃度下（0.1 wt%）可以達到較高的T_cp（81°C），并且產生了可觀測的熱焓，這在其他基于PAAm的UCST聚合物中很難實現。這兩個特征性歸因于NAS基團為強質子受體，AAc基團為強質子供體，而AAm基團既是質子供體也是質子受體，三者的結合形成了強而穩(wěn)定的氫鍵。

圖2. P(AAm-co-NAS-co-AAc)的透過率曲線和微差示掃描量熱及其UCST機制示意圖

  接下來，研究者利用AAm與牛血清白蛋白（BSA）之間的氫鍵作用以及NAS與BSA之間的共價作用，實現了聚合物與蛋白質的共組裝，制備了聚合物-牛血清白蛋白雜化納米粒子（PBNPs）。利用BSA與氨基熒光素（FA）間的熒光共振能量轉移效應（FRET）效應，檢測到BSA的熒光共振能量轉移到了FA標記的聚合物上，表明BSA與聚合物發(fā)生了共組裝（圖3A），共組裝體呈球形結構（AFM，圖3B），粒徑大約為33 nm（DLS，圖3C）。為了評估共組裝方法的通用性，又制備了聚合物-卵清蛋白（OVA）雜化納米粒子（PONPs）。與PBNPs體系類似，由FRET效應、AFM和DLS結果（圖3D,E,F）表明聚合物對OVA也具有良好的共組裝能力。

圖3. P(AAm-co-NAS-co-AAc)聚合物與蛋白質的共組裝

  進一步，研究者探索了共組裝時間以及BSA/聚合物投料比對蛋白負載量（LC）的影響。如圖4所示，LC隨共組裝時間的延長變化不大， 0.15 h即可達到飽和；LC隨BSA/聚合物投料比增加而增加。表明聚合物和BSA之間的共組裝發(fā)生迅速，且共組裝體中BSA的最高LC高于傳統方法制備的蛋白載體的LC（如：嵌入多孔載體或接枝在載體表面的方法）。并且，蛋白質在組裝過程中能夠保持其二級結構、熱穩(wěn)定性和生物活性。這意味著，本研究提供了一種有效的蛋白質捕獲方法，有望用于多類蛋白遞送體系。

圖4. P(AAm-co-NAS-co-AAc)聚合物的蛋白質負載量隨共組裝時間及BSA/聚合物比例的變化

  該研究開發(fā)了一種新型反應性UCST聚合物P(AAm-co-NAS-co-AAc)，得益于其擁有的強而穩(wěn)定的氫鍵及溫和快速的反應性，聚合物表現出：1. 優(yōu)異的UCST性能，0.1 wt%濃度下實現高達81°C的T_cp；2. 快速捕獲蛋白質的能力，且不改變蛋白質的二級結構和生物活性。該研究提供了一種簡單溫和的策略使聚合物與蛋白質可以直接在水中發(fā)生雜化共組裝，有望拓展其在生物傳感、蛋白質/疫苗遞送系統等生物醫(yī)學領域的應用。

  以上相關成果發(fā)表在Biomacromolecules 上。論文的第一作者為中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所碩士研究生孫佳琳，通訊作者為中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所張明明副研究員及寧波大學趙傳壯教授。該研究得到了國家自然科學基金（編號22075154和31770968），天津市杰出青年基金（編號18JCJQJC48100）的支持。