楊翠紅，韓京華，劉金劍，張玉民，高紅林，董文慧，王燕銘△

聚天冬酰胺衍生物的合成及細(xì)胞毒性研究

楊翠紅1，韓京華2，劉金劍1，張玉民1，高紅林1，董文慧2，王燕銘2△

目的 合成一種聚天冬酰胺衍生物并對(duì)其細(xì)胞水平的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為其作為藥物載體應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。方法 通過L-天冬氨酸熱縮聚合成聚琥珀酰亞胺，利用苯丙氨酸甲酯鹽酸鹽和乙醇胺對(duì)聚琥珀酰亞胺進(jìn)行開環(huán)反應(yīng)得到載體PSI-Phe-EA；利用1H NMR進(jìn)行聚合物結(jié)構(gòu)表征；采用內(nèi)標(biāo)法磁氫譜計(jì)算其開環(huán)率；通過水溶性的比較驗(yàn)證其親水性變化；采用MTT法對(duì)聚合物的細(xì)胞增殖抑制進(jìn)行研究，利用倒置顯微鏡觀察聚合物對(duì)細(xì)胞微觀形態(tài)的影響；利用碘化丙啶（PI）染色法通過流式細(xì)胞儀研究聚合物對(duì)細(xì)胞周期的影響。結(jié)果1H NMR確證了開環(huán)衍生物PSI-Phe-EA的結(jié)構(gòu)，PSI的開環(huán)率為40%；乙醇胺開環(huán)后聚合物的親水性得到了明顯改善；MTT實(shí)驗(yàn)表明，PSI-Phe-EA在所檢測(cè)濃度范圍內(nèi)（＜100 mg/L），對(duì)NIH3T3和HepG2兩種細(xì)胞的24 h細(xì)胞存活率均在80%以上；倒置顯微鏡觀察表明，50 mg/L的PSI-Phe-EA孵育24 h后以上兩種細(xì)胞的形態(tài)與對(duì)照組無明顯差異；細(xì)胞周期分析表明PSI-Phe-EA處理與否對(duì)細(xì)胞周期分布的影響無明顯差異。結(jié)論 合成的聚天冬酰胺衍生物PSI-Phe-EA親水性明顯提高，且對(duì)細(xì)胞的存活、微觀形態(tài)以及周期分布均無明顯影響，是一種安全的高分子材料。

天冬酰胺；苯丙氨酸；乙醇胺；藥物載體；細(xì)胞周期；聚天冬酰胺衍生物；細(xì)胞毒性

使用天然氨基酸合成的聚肽如聚賴氨酸［poly （L-lysine），PLL］、聚天冬氨酸［poly（α，β-L-aspartic acid），Pasp］等具有較好的生物相容性、生物可降解性、非抗原性及可修飾性［1-2］，作為藥物載體材料在藥物傳遞領(lǐng)域被廣泛研究。其中，聚天冬氨酸衍生物通過對(duì)前體聚合物聚琥珀酰亞胺（polysuccinimide，PSI）直接進(jìn)行開環(huán)修飾得到，而PSI通過L-天冬氨酸熱縮聚合成，其合成簡(jiǎn)便，可修飾性強(qiáng)。采用不同的“開環(huán)”試劑，可以很方便地對(duì)PSI進(jìn)行衍生化，得到具有一種或多種衍生官能團(tuán)的聚合物，從而賦予Pasp衍生物更加廣闊的應(yīng)用前景。L-苯丙氨酸（LPhenylalanine，Phe）是一種必需氨基酸，其在醫(yī)藥、食品領(lǐng)域被廣泛使用。Phe結(jié)構(gòu)上具有苯環(huán)、羧基、氨基等官能團(tuán)，其等電點(diǎn)為5.38。Tang等［3］使用L-天冬氨酸和L-苯丙氨酸共聚合成聚肽，用于包載疏水抗腫瘤藥物ATPR形成納米顆粒，能夠有效延長(zhǎng)藥物在體內(nèi)的作用時(shí)間。本研究利用L-苯丙氨酸甲酯上的氨基對(duì)PSI進(jìn)行開環(huán)，使PSI在開環(huán)后帶有苯丙氨酸甲酯側(cè)枝。另外，使用乙醇胺對(duì)剩余的琥珀酰亞胺開環(huán)，從而利用羥基來調(diào)節(jié)聚合物的親疏水性。L-苯丙氨酸的苯環(huán)一方面增加與疏水性藥物的結(jié)合能力，另一方面可與一些帶有苯環(huán)的藥物分子如阿司匹林、布洛芬等形成π-π共軛作用［4］，增大聚合物對(duì)藥物的承載能力。苯丙氨酸甲酯水解后使聚合物帶有羧基，在一定的pH環(huán)境中，有利于藥物載體的解組裝，從而加快藥物的釋放。

1 材料與方法

1.1 試劑 L-天冬氨酸、環(huán)丁砜、均三甲苯、L-苯丙氨酸和乙醇胺（Alfa Aesar，美國(guó)）；氯化亞砜、二甲基甲酰胺和三乙胺（天津試劑六廠）；細(xì)胞培養(yǎng)板和培養(yǎng)皿（Corning，美國(guó)）；濾膜、胎牛血清、無水乙醇（北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限公司）；RPMI 1640細(xì)胞培養(yǎng)基、胰蛋白酶、3-（4，5）-雙甲基-2-噻唑-（2，5）-二苯基溴化四氮唑藍(lán)（MTT）、二甲基亞砜（DMSO，Gibco，美國(guó)）；碘化丙啶（Propidium Iodide，PI，Sigma，美國(guó)）。

1.2 主要儀器 電子分析天平（BT124S，Sartorius，德國(guó)）；集熱式恒溫加熱磁力攪器（DF-101S，予華儀器）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（SB-1000，東京理化器械，日本）；循環(huán)水真空泵（SHZ-DIII，予華儀器）；凝膠滲透色譜儀（1525，Waters，美國(guó)）；電熱真空干燥箱（DZG-043，天宇實(shí)驗(yàn)儀器廠）；冷凍干燥機(jī)（北京博醫(yī)康）；磁共振儀（1H NMR，Bruker ARX 400，瑞士）；倒置熒光顯微鏡（DMI 3000B，Leica，德國(guó)）；全波長(zhǎng)多功能酶標(biāo)儀（Varioskan Flash，THERMO，美國(guó)）；流式細(xì)胞儀（Accuri C6，Accuri Cytometers，美國(guó)）。

1.3 PSI-Phe-OMe化學(xué)合成及表征 （1）PSI合成方法。L-天冬氨酸13.3 g和磷酸0.7 mL加入研缽中充分研磨均勻，轉(zhuǎn)入圓底燒瓶中，加環(huán)丁砜10 mL，均三甲苯34 mL，圓底燒瓶連接分水器和冷凝管，氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱至180℃反應(yīng)5 h。抽濾后用適量二甲基甲酰胺（DMF）溶解固體，再次抽濾除去不溶物后，將澄清濾液滴入乙醇中沉淀，得到白色粉末狀固體，真空干燥備用。（2）苯丙氨酸甲酯鹽酸鹽（Phe-OMe·HCl）合成方法。在0℃下向40 mL無水甲醇中逐滴加入8.8 mL氯化亞砜，滴加完畢后溫度上升至室溫，繼續(xù)攪拌0.5 h，然后緩慢加入L-苯丙氨酸，溫度上升至80℃，回流反應(yīng)10 h。反應(yīng)液冷卻后滴入乙醚中得到白色沉淀苯丙氨酸甲酯鹽酸鹽備用。（3）PSI-Phe-OMe合成方法。取PSI 500 mg溶于5 mL DMF中，加入3.69 g Phe-OMe·HCl，三乙胺2.8 mL，于60℃下反應(yīng)96 h，將反應(yīng)液冷卻后滴入無水乙醚中沉淀，得到淡黃色固體粉末。（4）聚合物PSI-Phe-EA合成方法。取PSIPhe-OMe 500 mg溶于5 mL DMF中，緩慢加入乙醇胺0.62 mL，室溫下攪拌反應(yīng)24 h。將反應(yīng)液用5 mL蒸餾水稀釋，轉(zhuǎn)入截留分子質(zhì)量為6～8 ku的透析袋中透析48 h。最終凍干得到淡黃色固體。以上各聚合物均經(jīng)過磁共振氫譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征確證。

1.4 水溶性測(cè)試 為了驗(yàn)證PSI-Phe-OMe經(jīng)乙醇胺開環(huán)后的親水性是否得到改善，將聚合物PSI-Phe-OMe和開環(huán)衍生物PSI-Phe-EA分別溶解于超純水中配制成濃度為1 000、500、250 mg/L的溶液于玻璃瓶中，充分溶解后通過液體的渾濁度比較二者溶解度的差異并照相。

1.5 細(xì)胞培養(yǎng) 小鼠胚胎成纖維細(xì)胞系NIH3T3和人肝癌細(xì)胞HepG2為本實(shí)驗(yàn)室自有，用RPMI 1640培養(yǎng)基（含10%胎牛血清，100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素）在37℃，5% CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

1.6 細(xì)胞毒性分析 細(xì)胞生長(zhǎng)至80%～90%融合度時(shí)消化收集細(xì)胞，按8×103個(gè)/孔鋪96孔板，37℃，5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h。用無血清的RPMI 1640培養(yǎng)基（含100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素）配制不同濃度梯度的聚合物溶液，吸棄原細(xì)胞培養(yǎng)液，加入新鮮的含不同濃度聚合物的RPMI 1640培養(yǎng)液，繼續(xù)培養(yǎng)24 h。用0.1 mol/L pH 7.4的PBS溶液配制5 g/L的MTT溶液，超聲助溶，用0.22 μm濾膜過濾除菌，按照20 μL/孔加入到細(xì)胞培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)4 h，吸棄培養(yǎng)液，用PBS洗1次，加入150 μL/孔二甲基亞砜，室溫避光震蕩10 min后用酶標(biāo)儀測(cè)定光密度（OD490），按照以下公式計(jì)算細(xì)胞存活率。細(xì)胞存活率（%）=實(shí)驗(yàn)組OD490/對(duì)照組OD490×100。通過倒置顯微鏡觀察聚合物處理后的細(xì)胞形態(tài)。用含聚合物濃度為50 mg/L的RPMI 1640培養(yǎng)基（含100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素）培養(yǎng)NIH3T3細(xì)胞和HepG2細(xì)胞24 h后于倒置顯微鏡下觀察，照相。

1.7 細(xì)胞周期分析 將NIH3T3和HepG2細(xì)胞按1.0×105個(gè)/孔鋪6孔板，37℃，5%CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h。用無血清RPMI 1640培養(yǎng)基配制濃度為50 mg/L的聚合物溶液，吸棄原細(xì)胞培養(yǎng)液，加入含聚合物的RPMI 1640培養(yǎng)液，繼續(xù)培養(yǎng)24 h。離心收集細(xì)胞，用冷PBS洗2次，加入4℃預(yù)冷的70%乙醇，于4℃固定過夜。離心收集細(xì)胞，PBS洗1次，加入500 μL碘化丙啶（PI，50 mg/L，含100 mg/L RNase A和0.2%Triton X-100）染液，4℃避光孵育0.5 h，流式細(xì)胞儀上機(jī)檢測(cè)，計(jì)數(shù)2萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，結(jié)果用ModFit軟件進(jìn)行分析。

1.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 使用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，2組間比較采用t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 PSI-Phe-EA的化學(xué)合成 具體合成路線見圖1。經(jīng)烏氏黏度法測(cè)定PSI的分子質(zhì)量約為50 ku。由于L-苯丙氨酸溶解性較差，故先將其甲酯化，得到的苯丙氨酸甲酯溶解性較好。苯丙氨酸甲酯開環(huán)反應(yīng)由于空間位阻較大，開環(huán)率偏低，采用內(nèi)標(biāo)法磁氫譜計(jì)算其開環(huán)率約為40%，見圖2。

Fig.1 Chemical structure of PSI，Phe-OMe·HCl and PSI-Phe-EA圖1 聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)式

Fig.21H NMR spectrum of PSI（A）and PSI-Phe-EA（B）圖2 PSI和PSI-Phe-EA磁共振氫譜

2.2 PSI-Phe-EA的磁共振表征 PSI磁共振氫譜圖顯示5.29 ppm（ppm：百萬(wàn)分之一化學(xué)位移的單位）處為連接環(huán)之間的次甲基峰，2.5～3.3 ppm范圍內(nèi)的多重峰為琥珀酰亞胺環(huán)上的亞甲基信號(hào)，見圖2A。PSI-Phe-EA磁共振氫譜圖可見7.20 ppm處的苯環(huán)信號(hào)峰和3.54 ppm處的甲基峰。另外還有4.46～4.62 ppm處乙醇胺兩個(gè)亞甲基的信號(hào)峰。同時(shí)原來5.29 ppm處信號(hào)峰消失，琥珀酰亞胺環(huán)已經(jīng)完全打開，見圖2B。

2.3 水溶性的改善 1 000、500和 250 mg/L時(shí)PSI-Phe-EA溶液透明清澈，均表現(xiàn)出良好的溶解度，而PSI-Phe-OMe在250 mg/L時(shí)仍不能夠全部溶解，為渾濁溶液。由此可見，經(jīng)乙醇胺開環(huán)反應(yīng)后聚合物的溶解度得到了明顯的提高，親水性得到了改善，見圖3。

Fig.3 The solubility of PSI-Phe-OMe（A）and PSI-Phe-EA（B）圖3 PSI-Phe-OMe（A）和PSI-Phe-EA（B）的水溶性比較

2.4 細(xì)胞毒性分析 對(duì)于NIH3T3細(xì)胞和HepG2細(xì)胞，PSI-Phe-EA在正常使用濃度范圍內(nèi)（＜100 mg/L）的細(xì)胞存活率均在80%以上，見圖4。倒置顯微鏡觀察可見PSI-Phe-EA處理24 h后NIH3T3細(xì)胞和HepG2細(xì)胞形態(tài)和融合度與對(duì)照組無明顯差別，細(xì)胞邊界清晰，胞漿豐富，與MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，見圖5。

Fig.4 Toxicity of PSI-Phe-EA on NIH 3T3 cells and HepG2 cells after 24 hours incubation（n=6）圖4 PSI-Phe-EA孵育24 h對(duì)NIH 3T3細(xì)胞和HepG2細(xì)胞的毒性（n=6）

Fig.5 Morphology of NIH 3T3 cells and HepG2 cells treated with PSIPhe-EA for 24 hours圖5 NIH 3T3細(xì)胞和HepG2細(xì)胞的形態(tài)觀察（標(biāo)尺為50 μm）

2.5 細(xì)胞周期分析 50 mg/L的PSI-Phe-EA處理對(duì)NIH3T3和HepG2細(xì)胞的周期分布均無顯著影響，見表1。

Tab.1 The effect of PSI-Phe-EA on cell cycles of NIH 3T3 and HepG2 cells表1 PSI-Phe-EA對(duì)NIH 3T3細(xì)胞和HepG2細(xì)胞的細(xì)胞周期的影響 （n=3，%，±s）

Tab.1 The effect of PSI-Phe-EA on cell cycles of NIH 3T3 and HepG2 cells表1 PSI-Phe-EA對(duì)NIH 3T3細(xì)胞和HepG2細(xì)胞的細(xì)胞周期的影響 （n=3，%，±s）

均P＞0.05

細(xì)胞組別G0/G1SG2/M NIH 3T3Control54.31±0.6543.23±0.972.47±0.97 PSI-Phe-EA52.63±1.1143.27±0.953.80±0.98 t 2.2560.5202.368細(xì)胞組別G0/G1SG2/M HepG2Control60.91±0.1937.46±0.372.63±0.32 PSI-Phe-EA59.79±0.8536.25±2.693.95±1.84 t 2.2190.7712.149

3 討論

近幾十年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，藥物輔劑已經(jīng)發(fā)展成為具有能夠顯著提高藥效的藥物遞送系統(tǒng)，如納米微粒、纖維和凝膠等。這些納米粒和凝膠一般都是由聚合物、脂質(zhì)等有序自組裝而形成的。其中，聚氨基酸［poly（L-amino acids），PLAAs］因其具有易設(shè)計(jì)序列、生物相容性好以及良好的自組裝性能為藥物遞送系統(tǒng)提供了豐富的納米尺度的材料［5］。聚氨基酸藥物載體主要包括氨基酸嵌段共聚物、接枝共聚物以及兩親性多肽分子等幾種形式。Lavasanifar等［6］綜述了一類聚環(huán)氧乙烷-聚L-氨基酸（PEO-b-PLAA）共聚物作為藥物載體的應(yīng)用。Wang等［7］以聚賴氨酸為主鏈枝接聚環(huán)氧乙烷作為疏水側(cè)鏈用作異硫氰酸熒光素右旋糖酐的載體。Yeh等［8］以PSI為主鏈骨架枝接聚N-異丙基丙烯酰胺-N，N-二甲基丙烯酰胺合成了PSI-g-poly（NIPAAmco-DMAAm）用作抗炎藥物橙皮甙的載體。

聚合物藥物載體中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)可以增加其疏水性，從而有利于載體的自組裝，同時(shí)通過π-π共軛作用可以增加含苯環(huán)等環(huán)狀結(jié)構(gòu)藥物分子的載藥量。Zhao等［9］將苯亞甲基縮醛接枝到聚合物藥物載體上，增加了其對(duì)含苯環(huán)抗癌藥物姜黃素的載藥量。Chen等［10］將2，4，6-三甲氧基苯甲縮醛季戊碳酸酯接枝到聚乙二醇修飾的聚碳酸酯共聚物上，增加了對(duì)抗癌藥物紫杉醇和阿霉素的載藥量。本研究依次通過L-苯丙氨酸甲酯和乙醇胺對(duì)PSI進(jìn)行開環(huán)合成了一種聚天冬酰胺衍生物高分子。L-苯丙氨酸甲酯的修飾增強(qiáng)了聚合物與疏水性藥物特別是帶有芳環(huán)的藥物的共軛相互作用，使之與藥物具有更強(qiáng)的親和力。乙醇胺的修飾有效地改善了聚合物的親水性，可以使聚合物在與藥物緊密作用的同時(shí)，也能與水具有一定的親和性，從而在機(jī)體的體液環(huán)境中更加穩(wěn)定。這些優(yōu)良的性質(zhì)將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步探究和論證。

藥物載體的安全性是確定其能否使用的前提。Wu等［11］在細(xì)胞水平上對(duì)氧化石墨烯作為抗腫瘤藥物阿霉素載體的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。筆者此前也對(duì)多肽自組裝形成的納米纖維的體內(nèi)外安全性進(jìn)行了研究，為其應(yīng)用于藥物載體等提供了基礎(chǔ)［12］。本研究對(duì)聚天冬酰胺衍生物PSI-Phe-EA在細(xì)胞水平上的安全性進(jìn)行了全面的評(píng)價(jià)，為其進(jìn)一步用作藥物載體提供前期研究基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PSI-Phe-EA具有良好的細(xì)胞相容性，對(duì)細(xì)胞周期分布無明顯的影響，是一種安全的高分子材料，將在藥物載體領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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（2014-11-14收稿 2015-01-30修回）

（本文編輯 李國(guó)琪）

Synthesis of poly asparagine derivatives and its cytotoxicity study

YANG Cuihong1，HAN Jinghua2，LIU Jinjian1，ZHANG Yumin1，GAO Honglin1，DONG Wenhui2，WANG Yanming2△
1 Tianjin Key laboratory of Radiation Medicine and Molecular Nuclear Medicine，Institute of Radiation Medicine，Chinese Academy of Medical Science and Peking Union Medical College，Tianjin 300192，China；2 State Key Laboratory of Medicinal Chemical Biology，College of Pharmacy，Nankai University
△Corresponding Author E-mail:wangyanming@nankai.edu.cn

Objective To synthesize poly asparagine derivatives and to evaluate its safety at the cellular level，which provide research platform for its potential application as drug carrier.Methods Polysuccinimide was synthesized by thermal polymerization of L-polyaspartic acid，and the target product of PSI-Phe-EA was obtained by the ring-opening reaction of polysuccinimide using L-phenylalanine methyl ester hydrochloride and ethanol amine.The structure of PSI-Phe-EA were characterized by1H NMR.The rate of ring-opening of PSI was calculated by internal standard method of1H NMR.The change of hydrophilicity was studied by the comparison of solubility.The cytotoxicity and morphology modification by PSIPhe-EA at designate concentrations was investigated by MTT method and inverted microscopy respectively.The effects on cell cycles were analyzed by flow cytometry after propidium iodide（PI）staining.Results1H NMR results confirmed the structure of PSI-Phe-EA and the ring-openning rate of PSI was 40%.The hydrophilicity of PSI-Phe-EA was greatly increased upon ring opening using ethanol amine.MTT test showed that the cell survival rates of NIH 3T3 and HepG2 cells were higher than 80%under the examined concentration（＜100 mg/L）.Inverted microscopy showed that 50 mg/L of PSI-Phe-EA treatment had no adverse effects on cell morphology.Cell cycle analysis indicated that PSI-Phe-EA treatment had no influence on cell cycles of NIH 3T3 and HepG2 cell lines.Conclusion PSI-Phe-EA showed high hydrophilicity without significant effects on the cells survival，cells morphology and cell cycles.It is a kind of safe polymer material.

asparagine；phenylalanine；ethanolamine；drug carriers；cell cycle；polyasparagine derivative；cytotoxicity

R916

A DOI:10.11958/j.issn.0253-9896.2015.06.002

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51303213，51473080）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（14JCZDJC33300）；“協(xié)和青年基金資助”和“中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助”（33320140034，3332014003）；放射醫(yī)學(xué)研究所學(xué)科發(fā)展基金資助項(xiàng)目（SF1417，SF1416）

1北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院&中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所，天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（郵編300192）；2藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南開大學(xué)藥學(xué)院

楊翠紅（1983），女，助理研究員，研究生，主要從事自組裝納米材料、分子核醫(yī)學(xué)研究

△E-mail:wangyanming@nankai.edu.cn