白蛋白调控的铁酚配位聚合物在肿瘤诊疗中的应用

万莹 程玉莹 母雪玲 蔡宇 田启威 杨仕平

摘  要： 配位聚合物由于其独特的理化性质而备受关注，纳米级配位聚合物更是由于其独特的生物活性等而被广泛应用于生物医药领域.铁酚类配位聚合物由于具有较好的生物兼容性、较强的近红外吸收性以及独特的磁学性能而被广泛研究. 因此，本课题组近年来通过白蛋白独特的结构，仿生矿化合成了多种具有纳米结构的铁酚类配位聚合物，研究了其磁共振成像（MRI）、光声成像（PA）以及光热治疗功能，主要概述了白蛋白调控的铁酚类配位聚合物的研究进展，并进一步探讨了该研究工作的方向.

关键词： 配位聚合物; 铁酚配位聚合物; 磁共振成像（MRI）; 光声成像（PA）; 抗癌治疗

中图分类号： O 614.81     文献标志码：  A     文章编号： 1000-5137（2021）01-0014-07

Abstract： Coordination polymers have attracted much attention due to their unique physical and chemical properties，and nano-scale coordination polymers have been widely used in the field of biomedicine because of their unique biological activities. Iron phenolic coordination polymers have been extensively studied owing to their good biocompatibility，strong near-infrared absorption properties，and unique magnetic properties. Hence，in recent years，our group has synthesized a variety of iron phenolic coordination polymers with nanostructures through the unique structure of albumin by biomimetic mineralization. Meanwhile，the magnetic resonance imaging （MRI），photoacoustic imaging （PA），and photothermal therapy performance of the iron phenolic coordination polymer nanoparticles also were investigated. This paper mainly summarizes the research progress of our group in the coordination polymerization of iron phenols regulated by albumin，and further discusses the direction of this research work.

Key words： coordination polymers; iron phenolic coordination polymers; magnetic resonance imaging（MRI）; photoacoustic imaging（PA）; tumor therapy

0  前言

配位聚合物是指中心金屬离子和多齿配体通过自组装的方法形成的一种有机无机杂化材料.配位聚合物由于物种、结构具有多样性，使其具有很多不同于无机或者有机材料的物理化学性质，备受关注[1-2].配位聚合纳米粒子是一种纳米级配位聚合物，由于其生物相容性好、可生物降解、成分多样和制备简单等特点，被广泛地用于诊疗一体化纳米药物平台[3-4].因此，开发新型的配位聚合物纳米结构材料，在生物医药领域具有广阔的应用前景[5].

茶多酚是一种多羟基酚化合物，也被称为茶鞣质或茶单宁，是茶叶中让人感到涩口的物质，在茶叶中含量较高，占茶叶干重质量的16%～35%，也是决定茶叶风味最主要的物质[6].茶多酚由30多种酚类物质组成，其中包含黄酮类（花黄素）、黄烷醇类（儿茶素类）、黄酮醇类、花青素类以及酚酸类等物质，其中含量最高的物质是儿茶素类及其衍生物[7].茶多酚由于具有抗氧化、抗病毒、杀菌、防癌抗癌、抗辐射、增强免疫机能、预防多种心血管以及降低血糖血脂等多种药理作用，被广泛应用于食品、医药和日用化妆品等产品[8].更为有意义的是茶多酚由于具有很多酚羟基结构，可以和铁（Fe）离子进行配位，生成铁酚类配位聚合物，该类聚合物不仅具有茶多酚的特殊作用，还具有铁酚类配位聚合物的新性质，如较强的近红外吸收和特殊的磁学性能等[9].因此，开发基于铁酚类纳米级配位聚合物，在生物医药领域具有重要的意义.

血清白蛋白（serum albumin，ALB）是脊椎动物血浆中含量最丰富的蛋白，具有安全无毒、可生物降解、生物相容性好等优点，其作为理想的药物载体已受到广泛关注[10].其中，牛血清白蛋白（BSA）更是由于其廉价易得，而被广泛用于生物医药.牛血清白蛋白由583个氨基酸残基组成，能有效络合金属离子，常被作为生物矿化剂，用于纳米材料的仿生制备和调控[11-13].因此，白蛋白也被用于可控合成纳米级铁酚类配位聚合物，并作为一种生物兼容性好的纳米平台，被用于肿瘤的诊断和治疗[14].基于此，本文概述了近年来本课题组在白蛋白调控制备铁酚类配位聚合物的合成及其在肿瘤诊断和治疗上的应用，展望了该类材料的发展方向和临床转换应用前景.

1  白蛋白调控的铁酚类配位聚合物的合成

白蛋白对配位聚合物粒径的调控主要是通过白蛋白独特的结构及其大量具有很强配位能力的氨基酸残基实现的.如图1所示，首先通过白蛋白上的氨基酸残基和Fe离子进行配位，形成白蛋白-Fe配合物，随后通过加入和Fe离子配位能力更强的茶多酚配体，将Fe离子从白蛋白上竞争下来，形成茶多酚-Fe配位聚合物.由于白蛋白独特的空间结构限制，茶多酚-Fe配位聚合物只能在白蛋白内自组装，进而限制了茶多酚-Fe配位聚合物的生长，从而实现对其粒径的调控.然后通过超滤离心，过滤掉没有参与茶多酚等物质，即可得到白蛋白包覆的茶多酚-Fe配位聚合物纳米粒子，并将其应用于生物医药.典型的制备方法如下：首先，称取一定量的牛血清白蛋白于烧杯中，加入去离子水，并超声溶解，得到无色澄清透明的牛血清白蛋白水溶液;然后，将三价铁盐在室温磁力搅拌下，加入上述白蛋白溶液中，制得黄色Fe @ BSA配合物;随后，加入茶多酚化合物，形成紫色的茶多酚配位聚合物;最后，将反应混合溶液用100 kDa截留分子量的超滤管纯化[15].

2  白蛋白-铁酚类配位聚合物的生物应用

2.1 白蛋白-没食子酸铁配位聚合物的生物应用

没食子酸（GA）是自然界存在的、结构简单的一种多酚类化合物，如图2（a）所示，广泛存在于掌叶大黄、大叶桉、山茱萸等植物中，在食品、生物、医药、化工等领域有广泛的应用[16].由于是多酚结构，使其和Fe离子存在较强的配位作用，很容易形成没食子酸-铁配位聚合物，该配位聚合物有很强的近红外吸收，能将近红外光转换成热，用于光热治疗.同时，由于其对Fe离子的配位聚合作用，可以限制Fe离子对周围水质子的影响，可用于核磁共振成像（MRI）.因此，构筑纳米级没食子酸-铁配位聚合物纳米平台，可以实现对癌症的核磁共振诊断，同时实现光热治疗的功能.

BSA富含N-末端氨基和半胱氨酸残基，而这些位点与过渡金属Fe3+有强配位作用，通过向BSA水溶液加入氯化鐵（FeCl3）溶液构筑Fe @ BSA配合物[15].其次，通过向Fe @ BSA配合物中加入GA单体，使GA基团中的酚羟基和羧基与Fe3+螯合形成GA-Fe @ BSA配位聚合纳米粒子.通过白蛋白调控，制备了粒径仅有3.5 nm的GA-Fe @ BSA配位聚合物纳米粒子（图2）.该材料不仅具有良好的水溶性，同时还具有很好的生物兼容性.横向弛豫率（r2）与纵向弛豫率（r1）之比（r2·r1-1）为1.06，较强的近红外吸收使得该超小的纳米粒子具有可同时实现MRI诊断和高效的光热治疗.尽管其具有增强的纵向弛豫（T1）造影性能，但是相对商业化的钆（Gd）基造影剂，仍然有不小的差距.因此，为了进一步提高其MRI性能，利用紫杉醇具有组装白蛋白的作用，将制备的超小GA-Fe @ BSA配位聚合物纳米粒子进行自组装，不仅提高了GA-Fe @ BSA配位聚合物纳米粒子的MRI性能，同时提高了癌症的治疗效果[17].因此，该类试剂具有一定的临床应用前景.

2.2 白蛋白调控的鞣花酸（EA）配位聚合物的生物应用

由于增加酚的分子量，在与Fe离子的配位作用后，有可能提高MRI的造影性能.基于此，选择了没食子酸的二聚衍生物——鞣花酸（结构式如图3上部），作为配体来制备多酚铁配位聚合物，并探索其MRI造影性能.鞣花酸是广泛存在于各种软果、坚果等植物组织中的一种天然多酚组分，鞣花酸与FeCl3的显色反应呈蓝色，具有很强的特异性配位作用[18].

利用同样的制备方法，通过BSA调控制备了粒径为23 nm的EA-Fe @ BSA配位聚合物纳米粒子（图3）[19].该材料的r1=2.53 mmol-1?L?s-1，r2=3.10 mmol-1?L?s-1，r2·r1-1=1.23，相对GA-Fe @ BSA纳米粒子的弛豫率提高了1倍多，具有更好的T1-加权MRI对比效果.尽管核磁共振被广泛地应用于临床诊断，但是其固有的缺陷，如分辨率低、软组织区分难度大等，仍然限制了其很多应用.因此，开发基于MRI的多模式造影剂具有重要意义.EA-Fe @ BSA配位聚合物纳米粒子具有很强的近红外吸收效果，可以用于光声造影剂.因此，该材料具有MRI和光声双模式造影功能.肿瘤小鼠模型也进一步验证了该材料可用肿瘤的MRI和光声双模式影像诊断.

基于铁离子的芬顿反应近年来被广泛应用于肿瘤的化学动力学治疗.EA-Fe @ BSA配位聚合物纳米粒子的中心离子为铁离子，不仅具有可用于化学动力学治疗效果的芬顿反应性能，同时还具有非常好的生物兼容性，但是其治疗效果受限于Fe3+和Fe2+之间的转换速率.因此，设计开发能有效提高铁离子价态转换的策略对提高化学动力学治疗效果具有重要的意义.基于此，将EA-Fe @ BSA配位聚合物纳米粒子用于结肠癌的治疗，利用结肠癌内高表达的内源性硫化氢强还原性，实现Fe3+到Fe2+之间的转换，从而提高了芬顿反应的性能，显著提高了其对结肠癌的治疗效果（图4）[20].

2.3 白蛋白调控的鞣酸（TA）及其在肿瘤诊疗上的应用

通过对比EA-Fe和GA-Fe配位聚合物的MRI造影性能，发现改变单体配合物的酚羟基数量能有效提高其MRI造影性能.因此，通过更换含有更多酚羟基的配体，可以进一步提高其MRI造影效果，有望探寻出可以取代临床使用的Gd基造影剂的铁酚类造影剂.通过对比茶多酚结构，发现鞣酸（结构式如图5所示）具有更多的酚羟基，是由五倍子中得到的一种鞣质，被广泛用于鞣革，因此也叫作皮革鞣制剂[21].

通过白蛋白，对TA-Fe配位聚合物进行调控，制备了粒径约为20 nm的TA-Fe @ BSA纳米粒子.体外实验结果表明，TA-Fe @ BSA纳米粒子具有和GA-Fe @ BSA及EA-Fe @ BSA类似的性能，如粒径小、性能稳定、光热性能优异等特点，并且相较于GA-Fe @ BSA和EA-Fe @ BSA，TA-Fe @ BSA纳米粒子在MRI性能上明显提高.相对于商业化的马根维显（Gd-DTPA），TA-Fe @ BSA不仅具有同样的MRI效果，还具有更好的体内、体外生物兼容性.更为重要的是该试剂具有Gd造影剂不具备的治疗功能，即光热治疗功能，能有效消除肿瘤，具有很好的应用前景（图5）[22].

3  結论和展望

铁酚类配位聚合物纳米粒子具有独特的磁学性能和较强的近红外吸收性能，使其不仅能作为MRI和光声造影剂，还能通过光热性能进行肿瘤治疗，因此具有一定的临床应用前景.由于Gd基MRI造影剂具有一定的肾毒性，使其应用受到了限制，而具备相同性能的鞣酸铁配位聚合物则无此限制，因此可以作为替代物用于临床MRI造影.尽管铁酚类配位聚合物具有诸多优点，但是仍然有很多问题需要进一步解决.如BSA调控的铁酚类配位聚合物的结构难以确定，导致MRI增强的性能和结构的定性关系难以界定，无法探索出其构效规律，也无法进一步指导该类MRI造影剂的设计.因此，亟需通过合理的设计，构建出具有精准结构的铁酚类配位聚合物，并探索其性能与结构的构效关系.随着化学实验以及检测技术的发展，铁酚类配位聚合物将有很好的临床应用前景.

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（責任编辑：郁慧）