华中科技大学吴钰周教授和马普所Tanja Weil教授团队：亲疏水交替表面亚结构调控大分子与腺病毒的相互作用

亲水性及疏水性表面基团的排列方式在蛋白质折叠和生物识别等许多生物学过程中起着重要的作用。然而合成纳米材料中，其表面性质往往呈现出均一的亲水性或者疏水性，因而难以精细调控其与生物分子的相互作用。建立新的化学合成方法，用以制备像生物大分子一样表面具有有序排布的亲水和疏水亚结构的合成大分子，能够为深入研究纳米材料表面亚结构与生物体的相互作用、精细调节合成材料的生物效应提供重要手段。华中科技大学化学与化工学院吴钰周教授团队，联合德国马克斯普朗克学会-高分子研究所的Tanja Weil教授，长期致力于研究纳米材料表面亚结构的精准构建及其对纳米材料与生物体相互作用的影响。团队利用聚亚苯基树枝状大分子（polyphenylene dendrimer，PPD）合成技术，构建了具有近球形的三维多苯环刚性骨架的树枝状大分子纳米颗粒（粒径3-5纳米），并在其表面上精准合成了交替排布的亲水和疏水结构。该体系能够自由而准确地合成不同的表面亲水和疏水基团，并确保亲水和疏水区域交替排列，不发生亲疏水相分离。利用该体系，团队在前期的研究中已经证实，有序疏水结构的嵌入能够在保持树枝状大分子水溶性的同时，极大地提高其细胞摄取效率，且不会造成对细胞膜结构的破坏，细胞毒性低（Adv. Healthcare Mater., 2015, 4, 377-384）。

近期，团队利用上述体系发现了两亲性表面亚结构对于该大分子与腺病毒的相互作用也起到决定性的调控作用。利用这一原理，团队制备了合成大分子包裹的腺病毒，为腺病毒表面构建了替代天然蛋白冠的“聚合物冠”，从而改变了腺病毒原有的细胞摄取途径，调节了腺病毒的体内分布 ^[1]。同时通过对该树枝状大分子的模块化组合，实现了“聚合物冠”对腺病毒的功能化修饰 ^[2]，对于促进腺病毒载体在肿瘤靶向基因治疗等领域的应用具有重要意义。

自然界中，病毒是最智能和最有效的纳米转运体，它们的巨大转运效率不仅取决于高度特异的受体结合，而且它们还可以利用血浆蛋白作为屏蔽冠，以增强其稳定性并逃避免疫系统。在临床试验中，人类5型腺病毒（Ad5）是迄今为止最常用的基因转染载体，在细胞中具有较高转染效率，并且可以容纳较大的目标基因。然而，基于Ad5的载体的临床适用性受到严重限制，因为Ad5表面容易吸附蛋白质而形成蛋白冠，造成其错误定位或引起急性毒性。此外，虽然Ad5利用细胞表面的柯萨奇-腺病毒细胞表面受体（CAR）和α_(v)β_3/5整合素来感染细胞，但CAR受体的缺失经常使Ad5不能对肿瘤靶组织进行感染。因此，如果可以设计一种替代天然蛋白质的人工蛋白样冠，来保护Ad5不受中和抗体和补体等的干扰，将是基于Ad5的基因治疗的重大进步，有望提高腺病毒治疗的靶向性并推动其更广泛的临床应用。

吴钰周教授研究团队与马普高分子所Tanja Weil教授和德国维腾大学的Florian Kreppel教授合作，合成了具有亲水磺酸基团和疏水丙基链的刚性球形人造树枝状聚合物（即聚亚苯基树枝状聚合物PPD），并提出，PPD表面可以提供具有分子精度的可控两亲斑块，来模拟蛋白质表面复杂而精确的亲疏水区域。通过筛选，发现了一种亲疏水斑块的最佳空间排布方式，能够与Ad5结合，在Ad5表面形成聚合物冠，极大地改变了Ad5与宿主细胞的相互作用并可改变其在小鼠体内的分布。PPD冠可以改善Ad5对缺乏CAR受体的细胞的感染能力，调节Ad5与凝血因子X的结合。同时，体外实验结果显示，PPD冠显著提高了Ad5的细胞转染效率，同时也保护其免受人体血液中天然抗体和补体系统的中和作用。体内实验表明，PPD冠改变了Ad5的组织分布，增强了其对心脏的转染，而降低了其对肝脏和脾脏的转染。此外，“模拟蛋白质的聚合物冠”的概念可以推动纳米制剂的设计与改进，以控制它们的体内分布，也是当前纳米医学的重要研究方向之一。该成果发表于ACS Nano 杂志，并被选为封面论文  ^[1]。华中科技大学为第一完成单位，吴钰周教授、化学与化工学院博士生李龙杰和乌尔姆大学学生Larissa Frank为共同第一作者，吴钰周教授、Tanja Weil教授和Florian Kreppel教授为共同通讯作者。

图1. 聚亚苯基树枝状聚合物PPD3调控腺病毒5与宿主的相互作用。

在此基础上，吴钰周教授团队与马普所Tanja Weil教授、David Y.W. Ng博士团队合作，将上述PPD分子的一部分（dendron）作为Ad5结合分子，通过点击化学反应与其他功能模块进行组装，使其能够在Ad5表面构成功能化的“聚合物冠”，为Ad5表面引入生物活性基团提供了一个新的平台，而无需直接对病毒颗粒的表面进行化学修饰。此外，形成的Ad5/dendron复合物对CAR阴性细胞具有较高的基因转染效率，这说明，可以利用精确的分子或超分子设计来对腺病毒与宿主的相互作用进行重建，并有望改善基因治疗的临床应用。该研究成果近期发表于Angew. Chem. Int. Ed.上  ^[2]。

图2. 树枝状聚合物亚单元的构建与应用。

图3. Dendron的包裹后可为Ad5表面引入生物活性基团提供新的平台。

图4. Dendron/Ad5复合物的形成提高Ad5对CAR阴性细胞的感染效率。（A) Dendron/Ad5复合物形成示意图；（B)TEM表征复合物的形成；（C)（D)复合物提高Ad5对CAR阴性细胞的感染效率。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Patchy Amphiphilic Dendrimers Bind Adenovirus and Control Its Host Interactions and in Vivo Distribution

Yuzhou Wu*#, Longjie Li#, Larissa Frank#, Jessica Wagner, Patrizia Andreozzi, Brenton Hammer, Marco D’Alicarnasso, Maria Pelliccia, Weina Liu, Sabyasachi Chakrabortty, Silke Krol, Johanna Simon, Katharina Landfester, Seah Ling Kuan, Francesco Stellacci, Klaus Müllen, Florian Kreppel*, Tanja Weil*

ACS Nano, 2019, 13, 8749-8759, DOI: 10.1021/acsnano.9b01484

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Amphiphilic Polyphenylene Dendron Conjugates for Surface Remodeling of Adenovirus 5

Jessica Wagner, Longjie Li, Johanna Simon, Lea Krutzke, Katharina Landfester, Volker Mailänder, Klaus Müllen, David Y.W. Ng*, Yuzhou Wu*, Tanja Weil*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201913708

吴钰周教授简介

吴钰周教授，华中科技大学化学与化工学院教授，博士生导师。先后于浙江大学、新加坡国立大学、德国乌尔姆大学获得学士、硕士和博士学位。2013年5月-2016年9月先后担任德国乌尔姆大学和马普高分子研究所课题组长，2016年9月起任华中科技大学化学与化工学院教授，兼任马普高分子研究所课题组长， 2019年任国家重点研发计划青年项目首席科学家。2019年吴钰周教授课题组被遴选为德国马普学会国际伙伴研究小组。

吴钰周教授主要从事功能生物大分子材料领域的研究，主要方向包括蛋白质及核酸衍生的智能生物纳米材料、纳米医药及靶向药物载体、DNA折纸材料与纳米医学和人工酶合成生物学。作为负责人主持了国家自然科学基金项目和科技部国家重点研发计划“合成生物学”项目，参与了欧盟地平线2020计划框架下的“个性化健康与治疗（PHC）”大型国际合作项目（子课题共同负责人）、德国巴登符腾堡州基金会中德合作项目（项目共同负责人）、德国科学基金会（DFG）重大专项（SFB1279）（子课题共同负责人），受邀在SICC, IUPAC Macro, China Nano,中国化学会学术年会等国际国内学术会议上做邀请报告，并担任Materials等期刊的客座编辑和ACS Nano, Small, Nanoscale等期刊的审稿人，获得了乌尔姆大学优秀博士论文奖，Forschungsbonus，Reaxys PhD Prize提名奖等荣誉。研究成果已在国际权威期刊发表论文60余篇，第一及通讯作者在包括J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Acc. Chem. Res.，Adv. Func. Mater.，ACS Nano，Nano Lett.等期刊发表论文30余篇，多篇文章被选做期刊封面，并被Nature等期刊大篇幅引用评述。

吴钰周教授课题组长期招收博士后、博士生、硕士生，欢迎有志于从事合成生物学及纳米生物材料研究的学生和青年学者加入我们，共同开发用于生物医药领域的新型智能生物材料。

吴钰周

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