表面帶有官能團(tuán)的聚合物因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)而受到許多研究者的關(guān)注。常見的功能基包括羥基、醛基、羧基、氨基、環(huán)氧基等,其中醛基最為引人注目,因為醛基可在溫和條件下很容易地與帶氨基的生物分子如酶、蛋白質(zhì)、縮氨酸、核酸衍生物、藥物等通過Schiff堿化學(xué)鍵合[1,2],這一特性使得含醛基聚合物在毒性和生物活性藥物的包埋、蛋白質(zhì)以及DNA的包埋、生物活性物質(zhì)的分離和提純、酶和細(xì)胞等生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[3,4]。
改善和控制藥物在體內(nèi)的分布和代謝、實現(xiàn)緩釋給藥和定向給藥、提高藥物利用率和治療指數(shù)是現(xiàn)代藥物研究領(lǐng)域的一個新方向[5,6]。早在20世紀(jì)初,Ehrlich就針對普通制劑在治療疾病中存在的弊端,提出了靶向給藥的設(shè)想。設(shè)計合成pH值敏感的偶聯(lián)鍵將藥物與聚合物載體相連接,是實現(xiàn)藥物在體內(nèi)定量、定位釋放的一條重要途徑。
醛基能夠在溫和的條件下,與帶氨基的藥物形成Schiff堿。Sokolsky-Papkov等[2]利用多糖中醛基與兩性霉素B(AmB)通過Schiff堿共價連接,效果良好,有望用于真菌和利什曼原蟲感染的治療;Ma等[7]利用碳磁性納米微球(CMNP)表面的醛基與抗癌藥阿霉素(DOX)連接,得到結(jié)合藥CMNP-DOX,負(fù)載效率高。
Schiff堿是對酸敏感的基團(tuán),在中性及弱堿條件下是穩(wěn)定的;但在酸及弱酸環(huán)境下,Schiff堿斷裂,釋放藥物。Ulbrich等利用該特性做了大量的研究工作[8~13]。
據(jù)報道[14],癌細(xì)胞及癌變部位呈弱酸性,而正常細(xì)胞呈中性,載體通過形成Schiff堿連接藥物,只在癌變部位釋放藥物,只殺死癌細(xì)胞而不損害正常細(xì)胞,達(dá)到定位釋放的目的,從而減少對人體的毒副作用。
Yoo等[15]利用聚氧乙烯-b-聚(L-乳酸)(PEO-b-PLLA)共價結(jié)合DOX,所形成的膠束具有pH值依賴性,由于胞飲作用和內(nèi)涵體的酸性,導(dǎo)致Schiff堿斷裂,釋放DOX;以人淋巴母細(xì)胞(HSB-2)為模型,48 h后共價結(jié)合的藥物在腫瘤細(xì)胞釋放的DOX比游離藥物更多,從而顯示出更大毒性。
酶是高效、專一性強(qiáng)的生物催化劑,生物體內(nèi)的各類化學(xué)反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的。但酶對高離子濃度、熱、強(qiáng)堿、強(qiáng)酸及部分有機(jī)溶劑不夠穩(wěn)定,容易失活而降低其催化性能;而且自由酶在水溶液中很不穩(wěn)定,不能重復(fù)使用[16],這些不足大大限制了酶促反應(yīng)的應(yīng)用范圍。
20世紀(jì)60年代,隨著固定化酶技術(shù)(Immobilized enzyme technology)的出現(xiàn),不僅克服了上述缺點(diǎn),而且酶可以重復(fù)使用,提高了利用率,更有利于發(fā)揮其功效[17,18],使之成為生物技術(shù)中最為活躍的研究領(lǐng)域之一。酶(細(xì)胞)的固定化方法大致可分為包埋法、吸附法、共價偶聯(lián)法三種[19]。其中共價偶聯(lián)法是將酶直接通過共價鍵與載體的功能基相結(jié)合,具有較好的穩(wěn)定性,有利于酶的連續(xù)使用,是目前研究和應(yīng)用最為活躍的一類酶固定化方法。醛基在溫和條件下即可直接與酶(細(xì)胞)上的-NH2形成Schiff堿而偶聯(lián),不需要活化,為共價固定酶(細(xì)胞)提供了非常便利的固定化方法[1,20,21]。Bartlett等[22]以γ-射線引發(fā)丙烯醛與聚乙烯膜接枝聚合后,利用活潑醛基共價固定葡萄糖氧化酶,效果良好。李軍等[23]利用丙烯醛接枝苯乙烯共聚物中的醛基與蛋白質(zhì)的氨基形成Schiff堿共價固定蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)不僅固定牢固、不會脫落,而且固定量可以控制。
固定化細(xì)胞是固定化酶技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,類似于多酶的固定化。固定化細(xì)胞不僅可以省去酶的分離純化工作,減少酶活性損失;而且可以利用其包含的多酶系統(tǒng)完成催化過程,比固定化酶更具優(yōu)勢,因此倍受重視。目前日本和歐美各國都在開發(fā)這類技術(shù),有的已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
設(shè)計和合成具有特定反應(yīng)性功能團(tuán)的功能高分子載體,使其所帶功能團(tuán)在溫和條件下與所吸附酶(細(xì)胞)的氨基、羧基等蛋白質(zhì)殘基共價偶聯(lián),所得的固定化酶(細(xì)胞)活力損失較小、傳質(zhì)效率高、同時具有吸附法及共價偶聯(lián)法的優(yōu)勢而避免了包埋法的缺點(diǎn),是固定化酶(細(xì)胞)載體材料的發(fā)展方向。含醛基聚合物在固定化酶(細(xì)胞)方面具有廣闊的發(fā)展前景。
由于抗體能夠高選擇性地和抗原結(jié)合,因此,臨床上常以此來診斷疾病。其診斷機(jī)理為:將抗體固定在含功能團(tuán)的微球上,因抗體-抗原間的特異性結(jié)合而在微球表面發(fā)生凝聚反應(yīng)(圖1),可快速、直觀、方便地定性或定量確認(rèn)診斷液中是否存在抗原,該法靈敏度高。
圖1 凝聚反應(yīng)
早在20世紀(jì)六七十年代,人們就利用聚苯乙烯微球固定抗體gamma-Globulins用于臨床診斷測試[24,25],但聚苯乙烯微球只單純地依靠疏水作用吸附抗體,非特異性吸附非常嚴(yán)重;親水性表面有利于抑制抗體以外的蛋白質(zhì)類的吸附,但是抗體不能通過吸附進(jìn)行固定。因此,人們開始采用親水性較強(qiáng)的微球通過化學(xué)法來固定抗體,如聚(2-羥乙基甲基丙烯酸酯)微球和聚(甲基丙烯酸縮水甘油酯)微球等[26]。
醛基是親水性的活潑官能團(tuán),在溫和條件下不需活化即可直接與抗原反應(yīng),不僅減少了反應(yīng)步驟,而且能保持更好的活性。特異性好、親和力強(qiáng)的含醛基聚合物微球是新一代先進(jìn)的免疫載體微球,是研究開發(fā)的重點(diǎn)。有人曾將1~20 μm的磁性含醛基聚合物微球成功用于人血、尿和腦脊液中蛋白的熒光免疫分析和甲狀腺素的放射免疫分析。Slomkowski等[27]采用乳液聚合法制備了具有-CHO、-CH2OH和-COOH的三種聚合物微球(圖2),共價固定γ-球蛋白(γ-G)、人纖維蛋白原(Fb)、人血清蛋白(HAS)、葡萄糖氧化酶(GOD)等生物活性大分子,其中含醛基聚合物的共價綁定不需要活化;并對共價固定抗體、抗原的聚合物微球進(jìn)行了抗體抗原的凝聚反應(yīng)測試。結(jié)果表明,除抗原和抗體之間的引力外,抗體固定化微球之間的靜電引力、抗原之間的靜電引力均會影響凝聚反應(yīng),這與Okubo等[28]研究結(jié)果一致。
含醛基聚合物微球還可用于免疫親和色譜分離中以純化蛋白質(zhì)或血液灌注除去體內(nèi)有毒成分,如去除劇毒農(nóng)藥百草枯、有毒藥物地高辛、有毒金屬和抗原、抗體復(fù)合物等。此外,含醛基聚合物微球還有望通過檢測突變基因DNA或RNA,用于癌癥的早期發(fā)現(xiàn);利用藥物和作用靶點(diǎn)的特異相互作用,用于藥物的篩選和藥物作用靶點(diǎn)的探索。
1963年,自Merrifield[29]提出固相多肽合成法以來,以聚合物為載體的固相合成以其獨(dú)特的魅力引起了研究者的注意。隨著快速、高效的藥物篩選技術(shù)高通量篩選(High throughout screening)的確立,20世紀(jì)90年代初,出現(xiàn)了第一個用固相法合成的小分子庫,組合化學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。隨后,組合化學(xué)作為一門新興學(xué)科活躍于化學(xué)界和醫(yī)藥界,組合化學(xué)技術(shù)成為一種高效、可靠的重要開發(fā)工具。而作為組合合成中的聚合物載體不僅要求化學(xué)惰性、有一定的溶脹性、機(jī)械穩(wěn)定性好、易于再生,而且對載體的連接臂和功能團(tuán)也有
圖2 含有醛基、羧基和羥基的聚合物微球共價固定蛋白質(zhì)
有一定的要求,因為它直接影響到產(chǎn)物的解脫方式,進(jìn)而影響產(chǎn)物的產(chǎn)率及純度。因而開發(fā)含多種形式功能團(tuán)的新型聚合物載體材料是組合化學(xué)中的重要內(nèi)容。
圖3 AMEBA樹脂的固相合成
組合化學(xué)另外一個技術(shù)是液相合成,與固相合成相比,液相合成反應(yīng)時間短、技術(shù)成熟,但后處理繁雜。如果在液相反應(yīng)結(jié)束后,將帶有特殊功能基的固相試劑加入到液相體系中,使其與體系中過量的原料及副產(chǎn)物反應(yīng),最后通過簡單過濾就可達(dá)到純化反應(yīng)產(chǎn)物的目的,這樣不但保持了液相反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),而且簡化了后處理過程。所加的固相試劑被稱為清除樹脂(Scavenger resin)或聚合物清除劑。1996年,Kaldor等[38,39]首次使用不同的清除樹脂(伯胺、異氰酸酯、醛基、酰氯樹脂)對液相平行合成制備的小分子庫進(jìn)行了純化操作,結(jié)果發(fā)現(xiàn),清除樹脂對較復(fù)雜化合物的合成均能起到很好的清除作用,證實了這種純化技術(shù)的優(yōu)越性。
以醛基為反應(yīng)活性基團(tuán)的交聯(lián)聚苯乙烯樹脂是一類用途廣泛的功能高分子材料,不僅可用作固相有機(jī)合成載體,而且可作為液相合成樹脂清除劑[40],用于清除肼、羥氨、巰氨等[41]過量試劑。Lin等[42]以丙烯醛樹脂作為清除樹脂用于苯甲酰氯與一系列的伯胺反應(yīng)制備酰胺小分子庫,產(chǎn)物純度高達(dá)98.2%~99.9%。
含醛基聚合物是一類用途廣泛的功能高分子,尤其在新材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域中的應(yīng)用更能顯示其優(yōu)異的性能和很高的附加值,近年來,逐漸受到人們的重視。但含醛基聚合物的合成研究和應(yīng)用進(jìn)展相對比較緩慢,國內(nèi)這方面的研究更顯不足,基本處于研究階段, 其產(chǎn)品的工業(yè)化、市場化還有待進(jìn)一步探索,研究和開發(fā)含醛基聚合物具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
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