在人體中，能量代謝主要依賴以D-葡萄糖作為能源物質(zhì)的三羧酸循環(huán)，在長期的進(jìn)化中，人體形成了一套精細(xì)的、專一性識別和代謝葡萄糖分子的生物系統(tǒng)。隨著人民生活水平提高，糖尿病這一“無聲的殺手”已經(jīng)嚴(yán)重危害民眾健康并給社會帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。頻繁檢測血糖含量和注射胰島素的治療方式給患者帶來不適，也存在著注射劑量難以控制和血液疾病傳播等潛在風(fēng)險。因此，研制智能控釋胰島素釋放的仿生生物材料，是一種實現(xiàn)糖尿病患者血糖水平長效控制的理想解決方式。
無論是食品中還是人體的體液中，均存在多種葡萄糖同分異構(gòu)體，人體的生物酶可以準(zhǔn)確地識別葡萄糖分子，具有高度專一性，但是人工合成具有專一性識別葡萄糖分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常困難。這是由于葡萄糖分子與其同分異構(gòu)體（例如半乳糖、果糖等）的分子結(jié)構(gòu)極其相似，并且它們只有單一的羥基官能團(tuán)，難以被精確的化學(xué)識別。已報道的少數(shù)具有葡萄糖專一性識別能力的化學(xué)配體幾乎都存在合成過程比較復(fù)雜等問題。
最近，陜西科技大學(xué)陳詠梅教授和王任其副教授團(tuán)隊與鄭州大學(xué)梅英武副教授合作，利用β-環(huán)糊精主環(huán)直徑與葡萄糖分子尺寸相匹配這一特點，設(shè)計了一種基于二齒-β-環(huán)糊精的水凝膠體系。通過在2,6-二甲基- β-環(huán)糊精(DMβCD)上精確引入一對苯硼酸取代基團(tuán)，形成符合D-葡萄糖分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子狹縫，可專一性地與D-葡萄糖分子結(jié)合并釋放出質(zhì)子，造成水凝膠體積溶脹，從而促使水凝膠中預(yù)載的胰島素快速釋放到血液環(huán)境中。二齒-β-環(huán)糊精的制備僅需3步反應(yīng)，不需要苛刻的合成條件，而且反應(yīng)收率很高。裝載二齒-β-環(huán)糊精的水凝膠在I型糖尿病小鼠體內(nèi)快速響應(yīng)高血糖癥并釋放胰島素，可實現(xiàn)12小時內(nèi)長效控制血糖水平。新型D-葡萄糖配體——二齒-β-環(huán)糊精與以往化學(xué)合成的D-葡萄糖配體不同，二齒-β-環(huán)糊精具有良好的生物相容性，并且制備方法簡便。研究者利用β-環(huán)糊精主環(huán)直徑與D-葡萄糖分子尺寸相匹配的特征，在β-環(huán)糊精主環(huán)上精確引入了兩個苯硼酸取代基團(tuán)，形成與D-葡萄糖分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和順式二羥基官能團(tuán)均匹配的分子縫隙，從而制備可專一性識別D-葡萄糖的二齒-β-環(huán)糊精。利用基質(zhì)輔助激光解吸飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)，核磁氫譜和二維核磁（COZY和NOESY）表征（圖1），證實了新型β-環(huán)糊精的超分子結(jié)構(gòu)。圖 1 (a)二齒環(huán)糊精（4-CH2PACD）的分子結(jié)構(gòu)， (b) MALDI-TOF-MS， (c) 1H NMR 圖譜 DMβCD (黑色)， 3-CH2PACD (藍(lán)色)，和 4-CH2PACD (紅色)， 4-CH2PACD 的2D 1H-1H COSY (d)和1H-1H NOESY (e).如圖2a所示，含有二齒-β-環(huán)糊精的聚丙烯酰胺水凝膠(4#)在葡萄糖溶液中會發(fā)生膨脹，而該水凝膠在不含葡萄糖的PBS溶液中(3#)不會發(fā)生膨脹。圖2b為顯微鏡照片，二齒-β-環(huán)糊精在水凝膠中呈現(xiàn)直徑約為100 微米的微粒（3#），在葡萄糖溶液中，由于葡萄糖與二齒-β-環(huán)糊精上的苯硼酸基團(tuán)產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致二齒-β-環(huán)糊精微粒分解（4#）。如圖2c所示，該凝膠體系在葡萄糖溶液中的膨脹響應(yīng)呈現(xiàn)先快后慢的速率，最終膨脹系數(shù)約達(dá)到20%。在一系列D-葡萄糖的同分異構(gòu)體中，二齒-β-環(huán)糊精水凝膠呈現(xiàn)專一性響應(yīng)D-葡萄糖的膨脹行為。當(dāng)葡萄糖的濃度達(dá)到40mM時，含有10mM二齒-β-環(huán)糊精的水凝膠膨脹系數(shù)達(dá)到最大值。圖2 （a）葡萄糖溶液中水凝膠膨脹，（b）水凝膠顯微照片，（c）膨脹系數(shù)隨時間變化曲線，（d）水凝膠膨脹對糖的選擇性，（e）水凝膠膨脹系數(shù)隨不同糖及濃度變化，（f）水凝膠膨脹系數(shù)隨葡萄糖濃度變化I型糖尿病小鼠模型的體內(nèi)研究證實，盡管雙齒β-CD水凝膠預(yù)載了短活性胰島素，它在12小時內(nèi)對血糖水平進(jìn)行長時間控制。圖3 腹腔注射胰島素或腹腔植入胰島素預(yù)載水凝膠的治療效果。（a）小鼠植入胰島素預(yù)載凝膠-4PACD-10前后的照片，插圖顯示胰島素預(yù)載凝膠在小鼠腹腔內(nèi)停留12小時后，凝膠呈血漿淡黃色，（b）H&E染色結(jié)果，（c）未治療的糖尿病小鼠（對照組，黑色）和注射短活性胰島素（S.A.胰島素，粉紅色）、長活性胰島素（L.A.胰島素，藍(lán)色）、短活性胰島素預(yù)載凝膠（紅色）治療糖尿病小鼠血糖水平的變化曲線。通過簡便的合成方法制備了一種基于二齒 β-CD的新型葡萄糖配體。該二齒 β-CD（ 4-CH2PACD）包含葡萄糖狹縫，并顯示出與 D-葡萄糖的高效特異性結(jié)合。將4-CH2PACD 摻雜到水凝膠中，賦予水凝膠對 D-葡萄糖的特異性體積響應(yīng)。高濃度D-葡萄糖導(dǎo)致凝膠膨脹，該特征有助于實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)的特定葡萄糖響應(yīng)性胰島素釋放。動物實驗表明，在糖尿病小鼠中植入預(yù)加載二齒 β-CD 和短活性胰島素的水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)長效血糖控制，為雙重自我調(diào)節(jié)智能胰島素釋放系統(tǒng)提出了一種新思路。
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| 陳詠梅，陜西科技大學(xué)特聘教授，博導(dǎo)，獲日本北海道大學(xué)博士學(xué)位，師從世界著名凝膠材料專家Yoshihiro Osada和Jian Ping Gong教授。曾任日本北海道大學(xué)特任助教、特任副教授，西安交通大學(xué)教授、博導(dǎo)。兼任中國化學(xué)會應(yīng)用化學(xué)學(xué)科委員會委員，中國生態(tài)學(xué)學(xué)會微生物生態(tài)專業(yè)委員會委員，中國微米納米技術(shù)學(xué)會納米科學(xué)技術(shù)分會納米生物材料專業(yè)委員會委員。主持國家自然科學(xué)基金面上3項、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項基金、教育部留學(xué)人員回國啟動基金、科技部政府間科技合作項目等10余項。以第一或通訊作者在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Small、Biomaterials、Green. Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale等國際影響力期刊發(fā)表論文60余篇，其中ESI高被引論文3篇，授權(quán)國家專利18件，日本專利2件，美國專利1件，2017年入選英國皇家化學(xué)會綜合化學(xué)領(lǐng)域Top1%高被引中國作者榜單。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104488 |
