基于J-聚集的FRET技术用于研究载药纳米颗粒的药物释放

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

聚合物纳米颗粒由于其优良的生物相容性、生物降解性和简单的制备方法，在药物传递领域引起了广泛关注。poly(D, L-lactic-co-glycolic acid) (PLGA) 是FDA批准的一种很有前景的可生物降解聚合物，可以用来合成载药聚合物纳米颗粒。然而，基于PLGA的聚合物载药纳米颗粒的临床应用仍然主要面临两个挑战，即低载药量（通常低于10%）和不够理想的药物突释现象。昆士兰大学澳大利亚生物技术与纳米研究所赵春霞教授（点击查看介绍）团队发明的一项专利技术（有序的纳米沉淀法）可以制备出稳定的高载药量（高达58.5%）聚合物纳米颗粒，并且该方法还广泛适用于多种聚合物和药物，这为解决这两个挑战提供了新的机会。

图1. 有序的纳米沉淀法示意图。利用调节溶剂相的配方去控制药物和聚合物的沉淀顺序，使得疏水药物先沉淀形成药物纳米颗粒，然后聚合物沉淀并包裹在药物纳米颗粒的表面从而提高载药量。

对于开发载药纳米颗粒来说，了解药物释放动力学是至关重要的。为了模拟载药聚合物纳米颗粒，赵春霞教授团队以疏水染料作为模型疏水药物，使用有序的纳米沉淀法生产出高染料负载聚合物纳米颗粒 (50%)，并与传统方法生产的低染料负载聚合物纳米颗粒 (0.5%) 进行比较。

图2. 单一疏水荧光染料以及FRET双染料装载的低染料负载纳米颗粒(左)和高染料负载纳米颗粒 (右) 的示意图。

单一疏水荧光染料装载的纳米颗粒由于高染料负载 (50%) 而形成J-聚集体，会导致荧光光谱出现大幅度的红移。当装载了两种可以配合形成荧光共振的疏水性荧光染料时，高染料负载的FRET聚合物纳米颗粒不仅表现出荧光共振能量转移现象，而且还表现出J-聚集红移现象 (116 nm) 。基于这一发现，该团队开发了一种新的基于J-聚集的荧光共振能量转移 (FRET) 技术来研究高染料负载纳米颗粒的释放动力学。FRET技术可以用来观察染料分子距离变远从聚合物外壳释放的过程，同时J-聚集红移现象的消失可以用来观察染料分子聚集形成的纳米颗粒溶解为染料分子的过程。

图3. FRET双染料装载的低染料负载纳米颗粒和高染料负载纳米颗粒荧光光谱和荧光照片的比较。高染料负载的FRET纳米颗粒不仅表现出荧光共振能量转移现象，而且还表现出J-聚集红移现象。

利用这种新颖的基于J-聚集的FRET荧光光谱技术分析发现，高染料负载纳米粒子在细胞和血清内的药物释放有独特的释放和分解动力学：染料形成的核心缓慢溶解为染料分子，以及染料分子从聚合物外壳内释放到纳米颗粒外部。此外，高载药纳米颗粒在血清中表现出较慢的释放动力学，在细胞中表现出相对较快的释放，显示出其在药物传递方面的巨大潜力。据目前所知，该方法是首个基于J-聚集的纳米颗粒释放动力学研究方法。

以上相关成果发表在Angewandte Chemie 上。论文的第一作者为昆士兰大学澳大利亚生物技术与纳米研究所刘云博士，共同第一作者为杨光泽博士，通讯作者为赵春霞教授。

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）：

J‐aggregate‐based FRET monitoring of drug release from polymer nanoparticles with high drug loading

Yun Liu, Guangze Yang, Song Jin, Run Zhang, Peng Chen, Teng Jisi, Lianzhou Wang, Dong Chen, David Weitz, Chun-Xia Zhao

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202008018

赵春霞博士简介

赵春霞，博士毕业于浙江大学化学工程系，后任职于昆士兰大学，澳洲生物工程与纳米技术研究院。现任昆士兰大学副教授，澳大利亚生物技术与纳米研究所课题组组长, 澳大利亚研究理事会卓越研究中心UQ研究中心主任，澳大利亚研究理事会专家委员会委员, 澳大利亚理事会未来研究员。

主要从事生物纳米药物和器官芯片的研究。获得了总计4千万澳元的资助，主持六项国家项目，一项国家重大项目，以及其它项目20余项，6项专利技术。在国际知名期刊Science Advances, Nature Communications, Angewandte, ACS Nano 等杂志发表80余篇文章。

https://www.x-mol.com/university/faculty/250537

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：这项研究的目的是为了更好地理解高载药量聚合物纳米颗粒的药物释放过程，因为高载药量聚合物纳米颗粒的结构和传统方式合成的低载药量纳米颗粒有着很大的不同。高载药量聚合物纳米颗粒的药物纳米核心是其独特的标志，但是这个特殊的结构对于药物释放的影响还从来没有人研究过。传统的药物释放方法无法让人很好的了解在药物释放过程中聚合物纳米颗粒内部发生的变化。所以为了更好地去设计和应用不同的高载药量聚合物纳米颗粒，我们需要开发出一种方法去监测在药物释放过程中药物纳米颗粒核心的溶解过程以及聚合物外壳在释放过程中的变化。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少光学方面的背景知识，而我们的团队主要来源于生物材料专业，因此在光学方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：我们团队开发的这项基于J-聚集的荧光共振能量转移技术有潜力广泛适用于研究和监测各种系统的高载药纳米颗粒的释放动力学。传统的荧光分子多数会有聚集诱导淬灭效应（Aggregation Caused Quenching, ACQ），限制了其应用。我们把这个现象变废为宝，反向利用它去监测高染料负载纳米颗粒中染料在释放过程中形态和结构的变化。我们开发的这项技术可以给制药企业和药物传递领域的研究人员提供一个研究药物释放动力学的新思路和新方法。