北京师范大学曹玮教授Angew：辐射响应自毁聚合物凝聚体，革新癌症放射化疗

在生物系统中，通过液-液相分离形成的无膜凝聚体模拟了细胞内无膜细胞器的动态组织，展现出广泛的生物医学应用前景，尤其是作为生物化学反应的微反应器。然而，无膜凝聚体在常温下容易发生融合，且缺乏精确的刺激响应释放能力，这严重限制了其在生物医学领域的实际应用。目前，虽然已有研究通过酶、葡聚糖或光触发凝聚体的去膜化过程，但这些方法存在肿瘤依赖性、缺乏病灶特异性或组织穿透深度不足等问题，亟需开发一种具有高组织穿透能力且可精确控制的新型刺激响应策略。

近日，北京师范大学曹玮教授研究提出了一种基于自毁聚合物的辐射响应凝聚体，通过放疗中常用的γ射线实现可控去膜化，从而精确调控酶级联反应。该研究合成了带有阴离子侧链的辐射响应自毁聚合物，并将其用于稳定液-液相分离凝聚体。所得膜化凝聚体表现出优异的稳定性和抗融合性。在辐射作用下，自毁聚合物发生解聚，导致膜结构破坏，凝聚体流动性增强，跨膜传输效率提高，进而调控内部酶级联反应。研究人员成功利用该系统在活细胞中精确调控一氧化氮的生成，并通过一氧化氮介导的放射增敏作用增强细胞毒性，为细胞生物工程和联合放射化疗提供了新思路。相关论文以“Radiation-Responsive Coacervates Through Controlled Self-Immolative Demembranization”为题，发表在Angew。

研究团队首先设计并合成了γ射线响应的自毁聚合物。该聚合物以聚氨酯为基础，通过末端叠氮四氟苄醇触发基团实现辐射响应。实验表明，在γ射线照射下，聚合物发生头至尾的级联解聚，生成具有特征紫外吸收和荧光发射的小分子产物。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析证实，即使在低剂量辐射下，聚合物也能发生明显降解，且降解程度与辐射剂量和时间相关。核磁共振和质谱结果进一步验证了聚合物的完全解聚过程。

示意图1.SIP膜化凝聚体及辐射诱导去膜化用于调控酶级联反应。

图1.SIP的合成及其辐射响应。（a）γ射线响应自毁聚合物的合成路线；（b）γ射线响应自毁聚合物的解聚机制；（c）经辐射处理的SIP的紫外-可见吸收光谱；（d）、（e）经辐射处理的SIP的荧光光谱和荧光强度。

为了提升凝聚体的稳定性，研究人员通过两步法制备了自毁聚合物膜化凝聚体。荧光显微镜图像显示，聚合物在凝聚体界面形成均匀连续的膜结构，有效防止了凝聚体的融合。在不同浓度的盐、尿素、表面活性剂等条件下，膜化凝聚体仍保持结构完整，表现出优异的耐盐性和pH适应性。此外，膜化凝聚体在稀释后仍能维持尺寸稳定，显著优于未膜化样品。

图2.SIP膜化凝聚体表现出高稳定性。（a）SIP稳定凝聚体的示意图；（b）不同浓度下SIP膜化凝聚体的状态图；（c）SIP膜化凝聚体在不同条件下的稳定性测试；（d）未膜化与SIP膜化凝聚体融合过程的时间序列图像；（e）、（f）添加SIP后凝聚体液滴的荧光显微镜图像及三维图像；（g）SIP膜化凝聚体在稀释条件下的稳定性；（h）不同pH条件下SIP膜化凝聚体的共聚焦图像。

辐射响应实验表明，γ射线照射后，膜化凝聚体的数量和浊度下降，Zeta电位发生变化，表明自毁聚合物发生解聚。荧光漂白恢复实验进一步揭示，辐射后凝聚体内部流动性显著增强，底物扩散速率提高了近13倍。此外，辐射还增强了凝聚体对染料分子的招募能力，显示出可控去膜化对微环境调控的有效性。

图3.膜化凝聚体通过去膜化的辐射响应。（a）辐射触发去膜化后凝聚体流动性调控示意图；（b）单位体积内凝聚体数量的流式细胞术定量；（c）不同条件下凝聚体的Zeta电位；（d）不同条件下的FRAP实验；（e）有/无辐射条件下的归一化荧光恢复曲线。

图4.辐射触发凝聚体去膜化。（a）对照组与辐射组凝聚体膜通透性示意图；（b）不同凝聚体对染料分子封装效率的分析；（c）-（e）辐射前后凝聚体融合及酶共定位情况。

在酶级联反应调控方面，研究人员将葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶分别封装于不同的膜化凝聚体中。辐射前，由于膜屏障的存在，两种酶未发生共定位；辐射后，膜结构破坏，凝聚体融合，酶共定位并加速级联反应，导致荧光产物试卤灵的生成速率提高1.5倍。类似地，通过葡萄糖氧化酶和血红蛋白级联反应，辐射触发一氧化氮的生成量显著提升，为一氧化氮介导的放射治疗奠定了基础。

图5.SIP膜化凝聚体内辐射调控的酶级联动力学。（a）不同凝聚体中GOx/HRP介导的试卤灵生成示意图；（b）单颗粒凝聚体随时间变化的荧光图像；（c）试卤灵荧光强度随时间变化的定量；（d）GOx/Hb介导的NO生成示意图；（e）NO生成的显色反应照片；（f）单颗粒凝聚体中NO荧光随时间变化的图像；（g）γ射线触发NO生成的动力学曲线。

在活细胞实验中，自毁聚合物膜化凝聚体表现出良好的结构稳定性和生物相容性。细胞摄取机制研究表明，凝聚体主要通过依赖于细胞膜流动性的被动摄取方式进入细胞，避免了溶酶体途径对生物活性物质的降解。在肺癌A549细胞中，辐射触发的酶级联反应显著提升了一氧化氮的生成量，并协同增强辐射引起的细胞毒性，显示出良好的放射增敏效果。

图6.辐射响应凝聚体作为人工细胞器调控活细胞内NO生成。（a）、（b）A549细胞经不同抑制剂处理或未处理后与凝聚体共孵育的图像；（c）细胞内NO荧光强度的定量分析；（d）不同处理条件下细胞存活率的MTT assay结果。

综上所述，本研究成功开发了一种基于自毁聚合物的辐射响应凝聚体系统，实现了对酶级联反应的精确调控和一氧化氮的按需释放。该系统不仅提升了凝聚体的稳定性和功能可控性，还为深层肿瘤的联合放射化疗提供了新策略。未来，研究人员将致力于优化凝聚体的尺寸均一性和靶向性，并进一步验证其在动物模型中的生物分布和治疗效果，以推动该平台在精准医学和合成生物学中的广泛应用。