分享一篇近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上的文章，题为Fluorination and Betaine Modification Augment the Blood-Brain Barrier-Crossing Ability of Cylindrical Polymer Brushes。文章的通讯作者是来自南京大学的武伟教授。

药物穿越血脑屏障的能力在中枢神经系统疾病的治疗中至关重要。目前临床应用的鼻内给药、局部注射等给药方式较为复杂且效率低下，并且很多情况下副作用严重。相比之下，通过纳米递送系统给药是一种有潜力的策略，它具有易于功能化、调节尺寸和改善药物性质的优势。通过特定受体或转运蛋白的介导能够实现血脑屏障穿透。                             

然而由于存在内源性配体的竞争性抑制，穿透效率仍需进一步提高。作者前期的研究中发现，柱状聚合物刷（Cylindrical polymer brushes，CPBs）由于具有蠕动运动，比球形聚合物纳米材料表现出更高的组织渗透性；同时，聚两性离子羧基甜菜碱（Poly(carboxybetaine)，PCBs）具有比聚乙二醇更高的组织穿透性。除此之外，由于含氟化合物低表面能、高疏水性的特殊性质，氟化策略也常被应用于增强纳米材料的细胞摄取。由此，作者设想氟化以及甜菜碱修饰可以提升纳米材料的血脑屏障穿透能力。

为验证这一设计思路，作者合成了主链相同，侧链结构不同的4种聚合物刷BCPB-F、BCPB-H、BCPB、ECPB。其中BCPB-F的侧链同时包含聚羧基甜菜碱嵌段以及氟代嵌段，如图1所示。作为对照，BCPB-H与BCPB-F同样具有聚羧基甜菜碱嵌段，但不具有氟代嵌段；ECPB仅具有聚乙二醇嵌段（侧链结构如图1右下）。在制备得到聚合物刷后，作者进行了各项基础表征，红外光谱确认了聚合物的高接枝率，凝胶色谱分析反映出各组具有相似的分子量分布，原子力显微镜中四种聚合物均表现出相似的蠕虫状形态。

图1. 四种聚合物刷合成路线及侧链结构

随后，为评估聚合物刷的应用潜力，作者首先研究了细胞摄取情况。作者使用荧光染料RBITC对聚合物刷进行标记，随后与小鼠脑内皮细胞系bEnd.3孵育4小时。如图2所示，共聚焦显微镜能够观察到显著的BCPB-F细胞摄取。流式细胞实验定量的结果同样显示，细胞中BCPB-F的摄取量为BCPB的1.6倍，ECPB的4.0倍。这表明氟代及聚羧基甜菜碱修饰均有利于增强聚合物的细胞摄取。

图2. 共聚焦显微镜与流式分析评估BCPB-F细胞摄取情况

为进一步研究体内的血脑屏障穿透效果，作者使用近红外染料标记聚合物刷，通过尾静脉注射到小鼠体内并成像观察。结果如图3a,b所示，4小时内，除ECPB外的三种聚合物刷均迅速积累到大脑中。更特别的是，在4小时后，BCPB-F的脑组织含量随时间推移进一步增加，直至72小时。更进一步地，作者引入模型药物DOX，与聚合物刷中的酰肼基团反应，形成pH响应的腙键。尾静脉注射后在酸性条件下提取脑组织匀浆进行DOX含量检测，以定量研究药物转运能力。实验结果如图3c所示，氟代能够将聚合物血脑屏障穿透能力提高近两倍，同时相比于聚乙二醇，聚羧基甜菜碱也具有显著的增强作用。

图3. a,b)小鼠近红外荧光成像，c)脑组织中DOX药物浓度

由于大脑毛细血管上表达有甜菜碱的转运蛋白BGT1，作者猜想聚羧基甜菜碱带来的穿透效果增强与这一结构相关。因此，作者在聚合物刷与细胞的孵育过程中添加甜菜碱作为竞争性抑制剂。共聚焦显微镜观察到的细胞摄取情况也正如预期。

综上所述，本文中，作者合成了四种具有不同结构的聚合物刷，并通过实验比较了它们的血脑屏障穿透能力，结果表明聚合物的氟代与甜菜碱修饰能够显著增强这一作用。这一发现为提高纳米材料血脑屏障穿透能力提供了一种新的策略。

作者：ZRC    审校：ZHS

DOI: 10.1002/anie.202201390

Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201390