浙大朱蔚璞课题组Macromolecules：端羧基酯交换法合成生物可降解的高分子量聚乙二醇

【背景介绍】

聚乙二醇（PEG）由于其无毒，抗蛋白吸附和非免疫原性，是制药工业中使用最广泛的生物聚合物之一。PEG链与生物活性治疗物质（例如，药物蛋白，多肽和其他药物分子）的共价连接（称为PEG化）可以增加这些药物的化学稳定性和生物循环时间。此外，PEG具有“隐遁”效应，可避免细胞吞噬作用，从而降低PEG化偶合物的免疫原性。目前食品和药物管理局已经批准了许多聚乙二醇化药物。已有的研究发现聚乙二醇化药物的功效高度依赖于聚乙二醇的分子量。但值得注意的是，PEG在体内无法降解，其代谢机理取决于其分子量。低于10 kDa分子量的PEG可通过肾脏滤过作用排出，而较大分子量的PEG则不能被肝脏有效降解，再通过肾脏进行清除，这会导致PEG在这些器官中蓄积并增加中毒的风险。因此，用于治疗用途的PEG的分子量通常不超过10kDa，以确保能够完全被肾小球滤除。克服此缺点的有效解决方案是将可生物降解的官能团引入PEG主链结构来合成可生物降解的PEG，其中含有超过95％的PEG成分，因此可保持PEG本身的优良性质。根据该策略，以往的研究者将酯键、酰胺键、二硫键和乙烯基醚等可降解基团引入到PEG主链中。但这些策略大多数都需要特定功能化的PEG单体和繁琐的多步合成。

已有研究表明，可生物降解的PEG可以通过商品化的PEG二醇（市售PEG的端基多为羟基）和二元羧酸之间进行聚酯化反应直接制备。然而，由于PEG聚酯化的困难，很难通过这种途径获得高分子量（HMW）产物。其第一个挑战是聚酯化的反应程度受制于其较小的酯化平衡常数（~4）。其次，由于其逐步生长的机理，根据Carothers的理论，该聚酯化反应需要使用高纯度单体和精确的等基团比。此外，PEG二醇的多分散性使其难以定量，且大多数二元羧酸由于升华或副反应而会在反应过程中损失掉。这些因素导致羧基和羟基难以达到精确的等配比，导致了产物的低分子量（通常<20 kDa）。

【成果简介】

最近，浙江大学朱蔚璞副教授团队合作利用端羧基酯交换法合成了生物可降解的高分子量聚乙二醇。作者通过PEG二醇和过量的二元羧酸进行熔融缩聚方式合成了可生物降解的PEG。同时，作者还开发了一种新型的端羧基酯交换机制，其克服了传统酯化策略合成高分子量产物的困难，制备出分子量高达112.6 kDa的可生物降解PEG。此外，作者进一步证实了这些可生物降解PEG的性质可比拟于同等分子量的不可降解的普通PEG，并且它们的酯键裂解后可以在体内被代谢掉。相关成果以“High Molecular Weight Biodegradable Poly(ethylene glycol) via Carboxyl-Ester Transesterification”发表于Macromolecules期刊上。论文的第一作者为浙江大学高分子系博士研究生蔡秋泉，通讯作者为浙江大学高分子系朱蔚璞副教授，浙江大学医学院附属口腔医院李晓东研究员为共同通讯作者。

 【图文导读】

Scheme 1.通过将酯键引入到PEG主链上制备可生物降解PEG

Scheme 2.两种酯交换过程的比较

（a）使用过量的二元羧酸进行端羧基酯交换反应，以合成可生物降解的HMWPEG；

（b）利用分子链的末端羧基-酯键之间的交换反应来脱除过量的小分子二酸，从而逼近羟基和羧基的等配比，在熔融缩聚方式下合成了可生物降解的HMWPEG；

（c）PEG过量时，由于含PEG的链段分子量较大，不具有可挥发性而无法被排出体系，末端羟基-酯键之间可发生交换（端羟基酯交换），但产物分子量没有变化。

图一、酯交换前预聚物SA和PEG₆₀₀的质谱分析

预聚体的链端是羧基封端，因此不能通过传统的酯化反应进行链增长。

图二、SA和PEG₆₀₀的缩聚动力学

（a）在180℃下，SA/PEG₆₀₀在聚合物中的比例，数均分子量（Mn）和分子量分布（D̵）随时间的变化；

（b）在160℃(左)和180℃(右)两种温度下，ln{[COOH]₀/[COOH]}与酯交换反应时间的函数关系。

 图三、可生物降解PEG的流体力学直径，抗蛋白质吸附和细胞相容性

（a）可生物降解PEG（PEG₆₀₀-alt-SA，PEG_1k-alt-SA，PEG_2k-alt-SA，PEG_4k-alt-SA和PEG_10k-alt-SA）和普通PEG（PEG_35k）的流体力学直径；

（b）单位重量人纤维蛋白原吸附的可生物降解PEG和PEG_35k的量；

（c）可生物降解PEG和PEG_35k对人血红细胞的溶血作用;

（d）可降解PEG和PEG_35k存在下的MC3T3-E1细胞存活率。

图四、可生物降解PEG及其偶合物的免疫原性

（a）可生物降解PEG偶合的牛血清蛋白（BSA）降低了其免疫原性：

（b）采用Balb/c小鼠作为动物模型注射聚合物和聚合物-BSA偶合物，并分别在10天和20天后使用间接ELISA检测其血清中产生的抗体（IgG和IgM）含量。

图五、可生物降解的PEG偶合物的药代动力学及其生物分布

（a）通过向雌性SD大鼠静脉注射聚合物-Cy5.5偶合物（Cy5.5作为荧光标记物质）的药代动力学曲线；

（b）聚合物-Cy5.5偶合物在雌性SD大鼠体内的器官分布与静脉给药时间的关系。

【小结】

综上所述，作者通过一种新的端羧基酯交换反应机制，采用传统的熔融缩聚方式合成了生物可降解的HMW PEG。该方法首先需要过量的二元羧酸与PEG二醇通过酯化反应生成羧基封端的预聚物。而扩链则通过预聚物中的末端羧基和末端酯键之间的端羧基酯交换机理进行，在高温和真空下可通过升华除去过量的二元羧酸。同时，作者认为这种新策略可以扩展到以挥发性或非挥发性二醇作为单体来合成各种可降解聚合物。最后，通过与同等分子量的普通PEG相比，作者还证实了可生物降解的HMW PEG具有出色的抗蛋白质吸附能力，细胞相容性和隐遁效果。此外，可生物降解的HMW PEG可以生物降解为小分子并从体内清除掉，而普通HMW PEG则容易在肝脏和肾脏中引起积累，从而增加了引起毒性反应的风险。因此，作者预期这种可生物降解的HMW PEG在不久的将来可用作药物递送的安全化学修饰剂。

文献链接：High Molecular Weight Biodegradable Poly(ethylene glycol) via Carboxyl-Ester Transesterification（Macromolecules. 2020, DOI: https://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.9b02177.）

本文由我亦是行人编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenvip.