刀豆球蛋白A 诱导的葡聚糖纳米凝胶高层级自组装

2020-12-31刘灵珊窦红静

功能高分子学报 2020年1期

徐源，刘灵珊，王灏，窦红静

（上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240）

分子间的特异性识别是生命过程的核心。蛋白质-糖的相互作用被认为是很多细胞识别过程的基础，其中凝集素-糖的相互作用越来越受到关注。凝集素-糖之间的特异性识别作用在细胞黏附、生物信号传导、免疫反应等多种生物过程中扮演着重要角色。凝集素是一类非免疫来源的蛋白质，没有催化活性，每个凝集素分子通常含有两个或多个碳水化合物结合位点，能够选择性地识别并可逆地结合存在于糖蛋白和糖脂上的特定游离糖或聚糖[1-3]。研究凝集素与糖类，尤其是与多糖这类来源广泛的生物大分子间的相互作用，并基于多糖-凝集素间的相互作用来构筑高层级组装体，无疑对拓展多糖的生物功能具有重要意义。凝集素在糖蛋白研究中具有巨大的潜力和价值[4,5]，同时凝集素-糖相互作用还可以用于生物传感器[6]、抗艾滋病（HIV）[7-9]、抗肿瘤[10,11]、免疫治疗[12-15]等生物医用领域。

作为一种从刀豆中提取的植物凝集素，刀豆球蛋白A（Con A）与葡萄糖和甘露糖之间的特异性结合可作为一种有效驱动力来构筑自组装体。Con A 与葡萄糖和甘露糖之间的特异性结合具有Ca2+/Mn2+依赖性[16]，单糖可以直接通过氢键和范德华力锚定于蛋白质[17]。作为一种生物相容性良好的天然多糖，葡聚糖结构中含有多个葡萄糖单元，因而同样可以与Con A 结合[18-20]，但结合力弱于葡萄糖单糖，可与Con A-葡萄糖之间的相互作用形成竞争结合[21,22]。Bevan 等[23]证实了Con A 通过与葡聚糖的识别作用可以促进葡聚糖纳米胶体粒子的聚集，且聚集程度与Con A 的浓度有关。利用特异性识别葡萄糖/葡聚糖的性质，Con A 可用于构筑葡萄糖传感器[24,25]。Con A 的使用质量浓度一般较低（0.05～10 μg/μL）[26]，这是因为Con A 本身具有一定的细胞毒性。Con A 对肿瘤细胞的抗增殖机理目前仍不太明确，普遍认为Con A 可以诱导程序性细胞死亡，包括自噬和细胞凋亡[10,27-29]。Lei 等[30]证实Con A 一旦与细胞膜糖蛋白上的甘露糖部分结合，就优先内化于线粒体，然后诱导BNIP3 介导的线粒体自噬，促使肿瘤细胞死亡。同时，Con A 也是诱导小鼠自身免疫性肝炎的T 细胞有丝分裂原，通过细胞自噬和免疫调节的双重作用，Con A 可发挥有效的抗肝癌治疗效果。Liu 等[31]报道Con A 对HepG2 细胞抑制效果的剂量和时间依赖性，其半抑制质量浓度（IC50）为20 μg/mL。Bao 等[11]报道Con A 在人黑素瘤A375 细胞中诱导半胱天冬酶依赖性的细胞凋亡，同时用甘露糖与Con A 提前共孵后能够抑制Con A 与A375 细胞表面的甘露糖结合，从而有效地降低Con A 的抗增殖效果。淋巴细胞对Con A的敏感性高于肿瘤细胞，也可能是由于它们在细胞膜上的甘露糖或葡萄糖含量更高[29]。因此，以Con A 为主要组成构筑的纳米组装体将在癌症治疗领域具有良好的研究前景。

葡聚糖因具有优异的生物相容性和独特的生物功能性而成为构筑生物功能材料的重要物质。本文采用接枝共聚诱导自组装法(GISA)合成葡聚糖纳米凝胶[32-34]，该纳米凝胶可作为药物运输、生物显影材料的载体，合成方法便捷并能实现宏量制备。借助葡聚糖与Con A 的识别结合，以葡聚糖纳米凝胶为结构单元进一步构建尺寸更大的高层级自组装体，实现了以分子识别为驱动力的高层级自组装。该高层级自组装体的功能性要强于原葡聚糖纳米凝胶。一方面不同于以往报道中，利用共价键作用在葡聚糖纳米凝胶中负载药物，在本文体系中Con A 不但可以作为高层级自组装的连接桥梁，而且还可以发挥其本身对癌细胞的抑制作用；另一方面，由于不占用特征官能团，该高层级自组装体依旧具备原葡聚糖纳米凝胶的相关功能。同时，本文探究了Con A 本身及含有Con A 的高层级自组装体对人非小细胞肺癌A549 细胞的抑制作用。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

葡聚糖（Dex，Mw=4.0×104）、二甲基亚砜（DMSO）、硝酸铈铵（CAN）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；丙烯酸甲酯（MA）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司，氢化钙干燥过夜并减压蒸馏；二烯丙基二硫醚（DADS）：纯度80%，Sigma Aldrich，减压蒸馏后使用；4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）：w≥99.5%，Sigma Aldrich；无水氯化钙（CaCl2）：w=99.9%，上海麦克林生化科技有限公司；氯化锰（Ⅱ）四水合物（MnCl2·4H2O）：w＞98.0%，梯希爱（上海）化成工业发展有限公司；Con A：w＞95.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；人非小细胞肺癌A549 细胞：中科院上海细胞库；RPMI-1640 培养基、胎牛血清蛋白： Biological Industries 公司；胰酶（每100 mL 消化液中含有0.25 g 胰酶）、青霉素、链霉素、磷酸盐缓冲液：Gibco 公司；CCK-8 试剂盒（Cell Counting Kit-8）：上海碧云天生物技术有限公司。

1.2 测试与表征

粒度分析仪（英国Malvern 公司Nano Sizer ZS90 型）：样品质量浓度为1 mg/mL，测试温度为25 ℃，测3 次取平均值；生物型透射电子显微镜BIO-TEM (美国FEI 公司Tecnai G2 spirit Biotwin 120 kV 型)：将3 μL 样品（0.75 mg/mL）滴在普通碳支持膜上，在水溶液体系中磷钨酸负染后观察，或在HEPES 缓冲溶液体系中直接干燥后观察；核磁共振光谱仪（德国Avance Ⅲ，400 MHz）：将纳米凝胶冻干后溶于氘代DMSO 中测试；傅里叶红外光谱仪（美国Thermo Fisher 公司Nicolet 6700 型）：取样品粉末2～5 mg，与溴化钾充分研磨压片后测定；紫外-可见光吸收光谱（日本Shimadzu 公司UV-2550 型）；等温滴定量热仪（美国GE 公司ITC 200）；生物安全柜（青岛海尔股份有限公司HR40-IIB2 型）；冷冻离心机（德国Eppendorf 公司5810R 型）；酶标仪（美国Bio-Rad 公司xMark 型）。

1.3 接枝共聚诱导自组装法制备葡聚糖纳米凝胶

取葡聚糖2.5 g 溶于50 mL 超纯水中，80 ℃下搅拌直至完全溶解。冷却至30 ℃，氮气保护下加入引发剂CAN（1.168 g，溶于1.25 mL 0.1 mol/L 硝酸中）。反应5 min 后，加入MA（0.674 mL），30 min 后再加入交联剂DADS（0.948 mL，溶于2.5 mL DMSO 中），继续反应4 h。反应结束后，将样品转移到截留分子量为1.4×104的透析袋中，透析3 d 除去没有反应的原料。凝胶样品置于4 ℃的冰箱中保存。

1.4 等温滴定量热法对Con A 与葡聚糖纳米凝胶相互作用的表征

取一定量的Con A 溶于HEPES 缓冲溶液（10 mmol/L HEPES，1 mmol/L Ca2+，1 mmol/L Mn2+）中，Con A 溶液的浓度为0.05 mol/L。葡聚糖纳米凝胶的水溶液通过透析的方式换为HEPES 缓冲溶液体系。实验前多次清洗仪器，并做空白实验（水滴定水）确保仪器状态良好。葡聚糖纳米凝胶溶液与Con A 溶液脱气后，分别加到40 μL 注射器和200 μL 样品池中进行滴定。

1.5 Con A-葡聚糖作用下的纳米凝胶高层级自组装

向葡聚糖纳米凝胶溶液中加入一定量1 mg/mL 的Con A 溶液，750 r/min 振荡混合30 min。葡聚糖纳米凝胶与Con A 的质量比分别为100，50，10，5 和2。

1.6 高层级自组装纳米凝胶的细胞毒性

A549 细胞以每孔104的密度接种于96 孔板，使用体积分数10%的胎牛血清、体积分数1%的双抗的RPMI-1640 培养基，置于37 ℃，5%体积分数CO2培养箱中培养。细胞贴壁后弃去上清液，每孔加入100 μL不同浓度的葡聚糖凝胶或高层级自组装体的完全培养基溶液，孵育48 h 后，弃去上清液，每孔加入100 μL 无血清培养基和10 μL CCK-8 试剂，继续孵育1 h。采用酶标仪测定450 nm 处的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 葡聚糖纳米凝胶的制备与表征

通过接枝共聚诱导自组装法制备葡聚糖纳米凝胶（Dex NG）。首先利用硝酸铈铵在葡聚糖分子链上引发自由基，丙烯酸甲酯单体在自由基处发生聚合形成接枝共聚物；然后在疏水力的作用下诱导纳米凝胶的形成；最后再加入交联剂对结构进行固定。该方法可以一步、高效地制备葡聚糖纳米凝胶，且该纳米凝胶的粒径取决于葡聚糖中的单糖（Glu）与丙烯酸甲酯的物质的量之比[32,34]，本文按nGlu/nMA=2∶1 进行投料。动态光散射测得葡聚糖纳米凝胶的流体力学粒径为53.6 nm，PDI 为0.119，Zeta 电位为-2.38 mV，如图1（a，b）所示。由于葡聚糖纳米凝胶的衬度较小，需用磷钨酸负染后观察。从TEM 图像（图1（c））上可以看到，葡聚糖纳米凝胶呈规则的球状且分布均匀，平均粒径为32.4 nm，该粒径小于动态光散射表征所得结果，这是由于葡聚糖纳米凝胶在液体状态下吸水膨胀，干燥状态下失水收缩。

图 1 水溶液体系中葡聚糖纳米凝胶的表征：（a）流体力学直径分布图；（b）Zeta 电位；（c）TEM 图像；（d）1H-NMR 谱图Fig. 1 Characterization of Dex NG @ Water: （a） Hydrodynamic diameter; （b） Zeta potential; （c） TEM image and （d）1H-NMR spectrum

葡聚糖纳米凝胶的核磁共振氢谱如图1(d)所示。葡聚糖分子链上的氢特征化学位移主要分布在3～5。1～4 区域内存在聚丙烯酸甲酯链上的氢特征化学位移，其中1.2～2.4 的特征峰对应于聚丙烯酸甲酯分子链中亚甲基和次甲基的化学位移，而甲基的化学位移对应的是3.5～3.6 的强峰。由此可见，纳米凝胶主要组成为葡聚糖和丙烯酸甲酯。对谱峰进行积分，该葡聚糖纳米凝胶中存在3 个单糖和1 个丙烯酸甲酯单元，即葡聚糖纳米凝胶中nGlu/nMA为3∶1，大于其投料比2∶1，说明在反应过程中部分丙烯酸甲酯单体未接枝到葡聚糖上，未反应的单体在反应结束后通过透析被除去。

Con A 本身的构象对环境有一定的依赖性。研究表明，当pH 为2～5.5 时，Con A 以二聚体形式存在；当pH 高于5.5 时，Con A 主要以四聚体的形式存在[35]。Con A 还具有Ca2+/Mn2+依赖性，且每个Con A 单体单元具有一个结合位点。因此本文中，将Con A 溶于HEPES 缓冲溶液中，体系pH 为7.2～7.4，并向其中加入适量的Ca2+和Mn2+。采用透析的方法将葡聚糖纳米凝胶从水溶液体系(Dex NG @ Water)置换到HEPES 缓冲溶液中(Dex NG @ Buffer)以保证Con A 在高层级自组装过程中的活性。葡聚糖纳米凝胶在HEPES 缓冲溶液中也能够保持均匀稳定的状态，其DLS 和TEM 表征结果如图2 所示。在HEPES 缓冲溶液中，葡聚糖纳米凝胶的流体力学粒径为54.4 nm，PDI 为0.148，与在水溶液中相比纳米凝胶的粒径几乎没有发生改变。此时，葡聚糖纳米凝胶的Zeta 电位为-1.33 mV，略高于分布于水溶液时的Zeta 电位，这可能是由于HEPES 缓冲溶液体系中存在阳离子造成的。图2（c）的TEM 图像显示，葡聚糖纳米凝胶在干燥状态下也呈现出规则的球形，平均粒径为46.0 nm，同样也略小于溶液状态中的流体力学粒径。

2.2 葡聚糖纳米凝胶的高层级自组装

图 2 HEPES 缓冲溶液体系中葡聚糖纳米凝胶的表征：（a）流体力学直径分布图；（b）Zeta 电位；（c）TEM 图像Fig. 2 Characterization of Dex NG @ Buffer: （a） Hydrodynamic diameter; （b） Zeta potential and （c） TEM image

目前有关葡聚糖与Con A 组装体的研究大多是利用两者的相互作用将Con A 修饰在表面含有葡聚糖的纳米结构上[20,21,23]。不同于以往的研究，本文提出利用Con A 与葡聚糖纳米凝胶体系表面葡聚糖分子链段之间的相互作用构筑高层级自组装体，制备方法简便高效，只需通过混合葡聚糖纳米凝胶和Con A 溶液即可制备高层级自组装体Con A-Dex NG。

高层级自组装体的FT-IR 谱图如图3 所示。图中蓝色的为葡聚糖的红外图谱。由于葡聚糖中含有较多―OH，故3 500 cm-1附近出现的特征吸收峰宽而强，归属于―OH 的伸缩振动。2 890 cm-1处的峰为饱和烷烃结构―CH2―的伸缩振动峰，1 300～1 000 cm-1处的峰则对应于葡聚糖环内与环间的C―O。Dex NG @Water、Dex NG @ Buffer 和Con A-Dex NG 的谱线中都出现了葡聚糖的特征峰。此外，葡聚糖纳米凝胶的红外图谱中，在1 737 cm-1处存在C＝O 的伸缩振动峰，对应于丙烯酸甲酯中的羰基，再次证明了丙烯酸甲酯接枝共聚反应的发生。Con A-Dex NG 高层级自组装体的特征峰与葡聚糖纳米凝胶基本重合，并在1 529 cm-1处存在Con A 的特征峰，由此可以证明最终的高层级自组装体中确实有Con A 的存在。

图 3 样品的红外图谱Fig. 3 FT-IR spectra of samples

等温滴定量热法（ITC）已被用于研究碳水化合物和凝集素之间的结合相互作用[19,36,37]。本文首次通过ITC 验证了葡聚糖纳米凝胶组装体与Con A 的相互作用。由于Con A 和葡聚糖纳米凝胶均溶解在HEPES缓冲溶液中，首先将HEPES 缓冲溶液滴加到Con A 溶液中得到溶液的稀释热。再把葡聚糖纳米凝胶逐滴加入到Con A 溶液中，扣除稀释热后得到图4 所示的放热曲线。在葡聚糖纳米凝胶中，丙烯酸甲酯具有一定的疏水性从而倾向于集中在纳米凝胶的内部，因此纳米凝胶的表面会存在较多亲水性葡聚糖链段。Con A能够识别结合葡聚糖纳米凝胶表面的葡聚糖链段，从而放出热量。

图 4 Con A 与Dex NG 相互作用的放热曲线Fig. 4 Exothermic curve showing the interaction between Con A and Dex NG

该高层级自组装体的粒径可以通过改变葡聚糖纳米凝胶同Con A 的质量比（mNG/mConA）进行调控。如表1 所示，高层级自组装体的粒径随着mNG/mConA的减小而逐渐增大，Zeta 电位也呈现出相同的变化趋势。随着Con A-Dex NG 粒径的增加，整个体系水溶液在300～800 nm 的光学吸收也逐渐增强（图5（a））。与此同时，宏观上溶液也随之变得浑浊。当mNG/mConA=2 时，体系中出现明显的白色沉淀（图5（b））。

表 1 mNG/mCon A 对Con A-Dex NG 流体力学粒径、粒径分布和Zeta 电位的影响Table 1 Influence of mNG/mCon A on hydrodynamic diameter, PDI and Zeta potential of Con A-Dex NG

图 5 Con A-Dex NG 的紫外-可见吸收光谱（a）和图像（b）Fig. 5 UV-Vis spectra （a） and image （b） of Con A-Dex NG

综上所述，高层级自组装过程可能存在的机理如图6 所示。当体系中Con A 非常少时，Con A 通过与葡聚糖的结合位点修饰在少量的Dex NG 表面，此时Con A-Dex NG 与Dex NG 的粒径、Zeta 电位均相差不大。随着Con A 的增多，越来越多的Dex NG 表面被Con A 修饰，由于此时Con A 以四聚体的形式存在，以Con A为连接点可以将多个Dex NG 连接在一起形成新的粒径较大的纳米凝胶。

图 6 Con A-Dex NG 高层级自组装体制备示意图Fig. 6 Scheme of the fabrication of Con A-Dex NG high order self-assembly

该高层级自组装机理的推测被TEM 结果进一步证明。如图7 所示，当mNG/mConA=10 时，Con A-Dex NG 呈均匀分布的球形，粒径约为90.8 nm，其形貌与图2（c）所示的纳米凝胶相仿，但粒径略大，粒径的增大与纳米凝胶表面的Con A 分子层有关。当Con A 继续增多时，更多的Dex NG 在Con A 作用下发生高层级自组装，形成粒径更大的纳米团聚体。如图7（c）所示，当mNG/mConA=5 时，Con A-Dex NG 的粒径为143.1 nm，呈规则的球形，且此时纳米凝胶的衬度明显增加，侧面证明此时Con A-Dex NG 是由多个Dex NG 自组装而成。在此基础上再增加Con A，比如当mNG/mConA=2 时，足够多的Dex NG 团聚在一起形成了肉眼可见的沉淀。

图 7 Con A-Dex NG 高层级自组装体的TEM 照片Fig. 7 TEM images of Con A-Dex NG high order self-assembly

2.3 细胞毒性

Con A 已显示出对多种癌细胞的抑制效果，如A375、HepG2、U87 胶质瘤母细胞等[35]，但Con A 对肺癌细胞是否同样具有抑制作用尚未得到证明。本文选取非小细胞肺癌A549 细胞，分别探究了游离的Con A 和含有Con A 的高层级自组装体Con A-Dex NG 对A549 细胞的抑制作用。本课题组已经证明水溶液中的葡聚糖纳米凝胶对人脐静脉内皮细胞HUVEC、人乳腺癌细胞MCF-7 和MDA-MB-231 以及人宫颈癌细胞HeLa 均具有良好的生物相容性[34]。本文证明了该葡聚糖纳米凝胶对A549 细胞的低毒性。如图8（a）所示，当原始葡聚糖纳米凝胶质量浓度达到500 μg/mL 时，细胞依旧能够达到几乎100%的细胞活性。透析到HEPES 缓冲溶液体系中后，葡聚糖纳米凝胶依旧具有很好的生物相容性，但由于Ca2+和Mn2+的加入，细胞活性稍有降低，但都保持在90%以上。图8（b）证实游离的Con A 对A549 细胞具有杀伤作用，且存在浓度依赖性。当Con A的质量浓度为10 μg/mL 时，仅有40%的细胞可以存活，而当Con A 的质量浓度为20 μg/mL 时，细胞的死亡率可以达到90%以上。Con A-Dex NG 高层级自组装体对A549 细胞也存在抑制作用，且随着Con A 质量浓度的增加而增加。由此可见，高层级自组装过程并不会影响Con A 的抗肿瘤活性。同时葡聚糖纳米凝胶本身也可作为载体负载抗肿瘤药物，故该高层级自组装体在多功能诊疗方面可能存在广阔的应用前景。

图 8 A549 细胞的细胞毒性：（a）水溶液体系中和HEPES 缓冲溶液体系中的Dex NG；（b）游离Con A 和Con A-Dex NGFig. 8 A549 cell viability: （a） Dex NG@Water and Dex NG@Buffer; （b） Free Con A and Con A-Dex NG