徐 源， 劉靈珊， 王 灝， 竇紅靜

（上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室，上海 200240）

分子間的特異性識別是生命過程的核心。蛋白質(zhì)-糖的相互作用被認為是很多細胞識別過程的基礎(chǔ)，其中凝集素-糖的相互作用越來越受到關(guān)注。凝集素-糖之間的特異性識別作用在細胞黏附、生物信號傳導(dǎo)、免疫反應(yīng)等多種生物過程中扮演著重要角色。凝集素是一類非免疫來源的蛋白質(zhì)，沒有催化活性，每個凝集素分子通常含有兩個或多個碳水化合物結(jié)合位點，能夠選擇性地識別并可逆地結(jié)合存在于糖蛋白和糖脂上的特定游離糖或聚糖[1-3]。研究凝集素與糖類，尤其是與多糖這類來源廣泛的生物大分子間的相互作用，并基于多糖-凝集素間的相互作用來構(gòu)筑高層級組裝體，無疑對拓展多糖的生物功能具有重要意義。凝集素在糖蛋白研究中具有巨大的潛力和價值[4,5]，同時凝集素-糖相互作用還可以用于生物傳感器[6]、抗艾滋病（HIV）[7-9]、抗腫瘤[10,11]、免疫治療[12-15]等生物醫(yī)用領(lǐng)域。

作為一種從刀豆中提取的植物凝集素，刀豆球蛋白A（Con A）與葡萄糖和甘露糖之間的特異性結(jié)合可作為一種有效驅(qū)動力來構(gòu)筑自組裝體。Con A 與葡萄糖和甘露糖之間的特異性結(jié)合具有Ca2+/Mn2+依賴性[16]，單糖可以直接通過氫鍵和范德華力錨定于蛋白質(zhì)[17]。作為一種生物相容性良好的天然多糖，葡聚糖結(jié)構(gòu)中含有多個葡萄糖單元，因而同樣可以與Con A 結(jié)合[18-20]，但結(jié)合力弱于葡萄糖單糖，可與Con A-葡萄糖之間的相互作用形成競爭結(jié)合[21,22]。Bevan 等[23]證實了Con A 通過與葡聚糖的識別作用可以促進葡聚糖納米膠體粒子的聚集，且聚集程度與Con A 的濃度有關(guān)。利用特異性識別葡萄糖/葡聚糖的性質(zhì)，Con A 可用于構(gòu)筑葡萄糖傳感器[24,25]。Con A 的使用質(zhì)量濃度一般較低（0.05～10 μg/μL）[26]，這是因為Con A 本身具有一定的細胞毒性。Con A 對腫瘤細胞的抗增殖機理目前仍不太明確，普遍認為Con A 可以誘導(dǎo)程序性細胞死亡，包括自噬和細胞凋亡[10,27-29]。Lei 等[30]證實Con A 一旦與細胞膜糖蛋白上的甘露糖部分結(jié)合，就優(yōu)先內(nèi)化于線粒體，然后誘導(dǎo)BNIP3 介導(dǎo)的線粒體自噬，促使腫瘤細胞死亡。同時，Con A 也是誘導(dǎo)小鼠自身免疫性肝炎的T 細胞有絲分裂原，通過細胞自噬和免疫調(diào)節(jié)的雙重作用，Con A 可發(fā)揮有效的抗肝癌治療效果。Liu 等[31]報道Con A 對HepG2 細胞抑制效果的劑量和時間依賴性，其半抑制質(zhì)量濃度（IC50）為20 μg/mL。Bao 等[11]報道Con A 在人黑素瘤A375 細胞中誘導(dǎo)半胱天冬酶依賴性的細胞凋亡，同時用甘露糖與Con A 提前共孵后能夠抑制Con A 與A375 細胞表面的甘露糖結(jié)合，從而有效地降低Con A 的抗增殖效果。淋巴細胞對Con A的敏感性高于腫瘤細胞，也可能是由于它們在細胞膜上的甘露糖或葡萄糖含量更高[29]。因此，以Con A 為主要組成構(gòu)筑的納米組裝體將在癌癥治療領(lǐng)域具有良好的研究前景。

葡聚糖因具有優(yōu)異的生物相容性和獨特的生物功能性而成為構(gòu)筑生物功能材料的重要物質(zhì)。本文采用接枝共聚誘導(dǎo)自組裝法(GISA)合成葡聚糖納米凝膠[32-34]，該納米凝膠可作為藥物運輸、生物顯影材料的載體，合成方法便捷并能實現(xiàn)宏量制備。借助葡聚糖與Con A 的識別結(jié)合，以葡聚糖納米凝膠為結(jié)構(gòu)單元進一步構(gòu)建尺寸更大的高層級自組裝體，實現(xiàn)了以分子識別為驅(qū)動力的高層級自組裝。該高層級自組裝體的功能性要強于原葡聚糖納米凝膠。一方面不同于以往報道中，利用共價鍵作用在葡聚糖納米凝膠中負載藥物，在本文體系中Con A 不但可以作為高層級自組裝的連接橋梁，而且還可以發(fā)揮其本身對癌細胞的抑制作用；另一方面，由于不占用特征官能團，該高層級自組裝體依舊具備原葡聚糖納米凝膠的相關(guān)功能。同時，本文探究了Con A 本身及含有Con A 的高層級自組裝體對人非小細胞肺癌A549 細胞的抑制作用。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

葡聚糖（Dex，Mw=4.0×104）、二甲基亞砜（DMSO）、硝酸鈰銨（CAN）：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；丙烯酸甲酯（MA）：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司，氫化鈣干燥過夜并減壓蒸餾；二烯丙基二硫醚（DADS）：純度80%，Sigma Aldrich，減壓蒸餾后使用；4-羥乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）：w≥99.5%，Sigma Aldrich；無水氯化鈣（CaCl2）：w=99.9%，上海麥克林生化科技有限公司；氯化錳（Ⅱ）四水合物（MnCl2·4H2O）：w＞98.0%，梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司；Con A：w＞95.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；人非小細胞肺癌A549 細胞：中科院上海細胞庫；RPMI-1640 培養(yǎng)基、胎牛血清蛋白： Biological Industries 公司；胰酶（每100 mL 消化液中含有0.25 g 胰酶）、青霉素、鏈霉素、磷酸鹽緩沖液：Gibco 公司；CCK-8 試劑盒（Cell Counting Kit-8）：上海碧云天生物技術(shù)有限公司。

1.2 測試與表征

粒度分析儀（英國Malvern 公司Nano Sizer ZS90 型）：樣品質(zhì)量濃度為1 mg/mL，測試溫度為25 ℃，測3 次取平均值；生物型透射電子顯微鏡BIO-TEM (美國FEI 公司Tecnai G2 spirit Biotwin 120 kV 型)：將3 μL 樣品（0.75 mg/mL）滴在普通碳支持膜上，在水溶液體系中磷鎢酸負染后觀察，或在HEPES 緩沖溶液體系中直接干燥后觀察；核磁共振光譜儀（德國Avance Ⅲ，400 MHz）：將納米凝膠凍干后溶于氘代DMSO 中測試；傅里葉紅外光譜儀（美國Thermo Fisher 公司Nicolet 6700 型）：取樣品粉末2～5 mg，與溴化鉀充分研磨壓片后測定；紫外-可見光吸收光譜（日本Shimadzu 公司UV-2550 型）；等溫滴定量熱儀（美國GE 公司ITC 200）；生物安全柜（青島海爾股份有限公司HR40-IIB2 型）；冷凍離心機（德國Eppendorf 公司5810R 型）；酶標儀（美國Bio-Rad 公司xMark 型）。

1.3 接枝共聚誘導(dǎo)自組裝法制備葡聚糖納米凝膠

取葡聚糖2.5 g 溶于50 mL 超純水中，80 ℃下攪拌直至完全溶解。冷卻至30 ℃，氮氣保護下加入引發(fā)劑CAN（1.168 g，溶于1.25 mL 0.1 mol/L 硝酸中）。反應(yīng)5 min 后，加入MA（0.674 mL），30 min 后再加入交聯(lián)劑DADS（0.948 mL，溶于2.5 mL DMSO 中），繼續(xù)反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品轉(zhuǎn)移到截留分子量為1.4×104的透析袋中，透析3 d 除去沒有反應(yīng)的原料。凝膠樣品置于4 ℃的冰箱中保存。

1.4 等溫滴定量熱法對Con A 與葡聚糖納米凝膠相互作用的表征

取一定量的Con A 溶于HEPES 緩沖溶液（10 mmol/L HEPES，1 mmol/L Ca2+，1 mmol/L Mn2+）中，Con A 溶液的濃度為0.05 mol/L。葡聚糖納米凝膠的水溶液通過透析的方式換為HEPES 緩沖溶液體系。實驗前多次清洗儀器，并做空白實驗（水滴定水）確保儀器狀態(tài)良好。葡聚糖納米凝膠溶液與Con A 溶液脫氣后，分別加到40 μL 注射器和200 μL 樣品池中進行滴定。

1.5 Con A-葡聚糖作用下的納米凝膠高層級自組裝

向葡聚糖納米凝膠溶液中加入一定量1 mg/mL 的Con A 溶液，750 r/min 振蕩混合30 min。葡聚糖納米凝膠與Con A 的質(zhì)量比分別為100，50，10，5 和2。

1.6 高層級自組裝納米凝膠的細胞毒性

A549 細胞以每孔104的密度接種于96 孔板，使用體積分數(shù)10%的胎牛血清、體積分數(shù)1%的雙抗的RPMI-1640 培養(yǎng)基，置于37 ℃，5%體積分數(shù)CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。細胞貼壁后棄去上清液，每孔加入100 μL不同濃度的葡聚糖凝膠或高層級自組裝體的完全培養(yǎng)基溶液，孵育48 h 后，棄去上清液，每孔加入100 μL 無血清培養(yǎng)基和10 μL CCK-8 試劑，繼續(xù)孵育1 h。采用酶標儀測定450 nm 處的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 葡聚糖納米凝膠的制備與表征

通過接枝共聚誘導(dǎo)自組裝法制備葡聚糖納米凝膠（Dex NG）。首先利用硝酸鈰銨在葡聚糖分子鏈上引發(fā)自由基，丙烯酸甲酯單體在自由基處發(fā)生聚合形成接枝共聚物；然后在疏水力的作用下誘導(dǎo)納米凝膠的形成；最后再加入交聯(lián)劑對結(jié)構(gòu)進行固定。該方法可以一步、高效地制備葡聚糖納米凝膠，且該納米凝膠的粒徑取決于葡聚糖中的單糖（Glu）與丙烯酸甲酯的物質(zhì)的量之比[32,34]，本文按nGlu/nMA=2∶1 進行投料。動態(tài)光散射測得葡聚糖納米凝膠的流體力學(xué)粒徑為53.6 nm，PDI 為0.119，Zeta 電位為-2.38 mV，如圖1（a，b）所示。由于葡聚糖納米凝膠的襯度較小，需用磷鎢酸負染后觀察。從TEM 圖像（圖1（c））上可以看到，葡聚糖納米凝膠呈規(guī)則的球狀且分布均勻，平均粒徑為32.4 nm，該粒徑小于動態(tài)光散射表征所得結(jié)果，這是由于葡聚糖納米凝膠在液體狀態(tài)下吸水膨脹，干燥狀態(tài)下失水收縮。

圖 1 水溶液體系中葡聚糖納米凝膠的表征：（a）流體力學(xué)直徑分布圖；（b）Zeta 電位；（c）TEM 圖像；（d）1H-NMR 譜圖Fig. 1 Characterization of Dex NG @ Water: （a） Hydrodynamic diameter; （b） Zeta potential; （c） TEM image and （d）1H-NMR spectrum

葡聚糖納米凝膠的核磁共振氫譜如圖1(d)所示。葡聚糖分子鏈上的氫特征化學(xué)位移主要分布在3～5。1～4 區(qū)域內(nèi)存在聚丙烯酸甲酯鏈上的氫特征化學(xué)位移，其中1.2～2.4 的特征峰對應(yīng)于聚丙烯酸甲酯分子鏈中亞甲基和次甲基的化學(xué)位移，而甲基的化學(xué)位移對應(yīng)的是3.5～3.6 的強峰。由此可見，納米凝膠主要組成為葡聚糖和丙烯酸甲酯。對譜峰進行積分，該葡聚糖納米凝膠中存在3 個單糖和1 個丙烯酸甲酯單元，即葡聚糖納米凝膠中nGlu/nMA為3∶1，大于其投料比2∶1，說明在反應(yīng)過程中部分丙烯酸甲酯單體未接枝到葡聚糖上，未反應(yīng)的單體在反應(yīng)結(jié)束后通過透析被除去。

Con A 本身的構(gòu)象對環(huán)境有一定的依賴性。研究表明，當(dāng)pH 為2～5.5 時，Con A 以二聚體形式存在；當(dāng)pH 高于5.5 時，Con A 主要以四聚體的形式存在[35]。Con A 還具有Ca2+/Mn2+依賴性，且每個Con A 單體單元具有一個結(jié)合位點。因此本文中，將Con A 溶于HEPES 緩沖溶液中，體系pH 為7.2～7.4，并向其中加入適量的Ca2+和Mn2+。采用透析的方法將葡聚糖納米凝膠從水溶液體系(Dex NG @ Water)置換到HEPES 緩沖溶液中(Dex NG @ Buffer)以保證Con A 在高層級自組裝過程中的活性。葡聚糖納米凝膠在HEPES 緩沖溶液中也能夠保持均勻穩(wěn)定的狀態(tài)，其DLS 和TEM 表征結(jié)果如圖2 所示。在HEPES 緩沖溶液中，葡聚糖納米凝膠的流體力學(xué)粒徑為54.4 nm，PDI 為0.148，與在水溶液中相比納米凝膠的粒徑幾乎沒有發(fā)生改變。此時，葡聚糖納米凝膠的Zeta 電位為-1.33 mV，略高于分布于水溶液時的Zeta 電位，這可能是由于HEPES 緩沖溶液體系中存在陽離子造成的。圖2（c）的TEM 圖像顯示，葡聚糖納米凝膠在干燥狀態(tài)下也呈現(xiàn)出規(guī)則的球形，平均粒徑為46.0 nm，同樣也略小于溶液狀態(tài)中的流體力學(xué)粒徑。

2.2 葡聚糖納米凝膠的高層級自組裝

圖 2 HEPES 緩沖溶液體系中葡聚糖納米凝膠的表征：（a）流體力學(xué)直徑分布圖；（b）Zeta 電位；（c）TEM 圖像Fig. 2 Characterization of Dex NG @ Buffer: （a） Hydrodynamic diameter; （b） Zeta potential and （c） TEM image

目前有關(guān)葡聚糖與Con A 組裝體的研究大多是利用兩者的相互作用將Con A 修飾在表面含有葡聚糖的納米結(jié)構(gòu)上[20,21,23]。不同于以往的研究，本文提出利用Con A 與葡聚糖納米凝膠體系表面葡聚糖分子鏈段之間的相互作用構(gòu)筑高層級自組裝體，制備方法簡便高效，只需通過混合葡聚糖納米凝膠和Con A 溶液即可制備高層級自組裝體Con A-Dex NG。

高層級自組裝體的FT-IR 譜圖如圖3 所示。圖中藍色的為葡聚糖的紅外圖譜。由于葡聚糖中含有較多―OH，故3 500 cm-1附近出現(xiàn)的特征吸收峰寬而強，歸屬于―OH 的伸縮振動。2 890 cm-1處的峰為飽和烷烴結(jié)構(gòu)―CH2―的伸縮振動峰，1 300～1 000 cm-1處的峰則對應(yīng)于葡聚糖環(huán)內(nèi)與環(huán)間的C―O。Dex NG @Water、Dex NG @ Buffer 和Con A-Dex NG 的譜線中都出現(xiàn)了葡聚糖的特征峰。此外，葡聚糖納米凝膠的紅外圖譜中，在1 737 cm-1處存在C＝O 的伸縮振動峰，對應(yīng)于丙烯酸甲酯中的羰基，再次證明了丙烯酸甲酯接枝共聚反應(yīng)的發(fā)生。Con A-Dex NG 高層級自組裝體的特征峰與葡聚糖納米凝膠基本重合，并在1 529 cm-1處存在Con A 的特征峰，由此可以證明最終的高層級自組裝體中確實有Con A 的存在。

圖 3 樣品的紅外圖譜Fig. 3 FT-IR spectra of samples

等溫滴定量熱法（ITC）已被用于研究碳水化合物和凝集素之間的結(jié)合相互作用[19,36,37]。本文首次通過ITC 驗證了葡聚糖納米凝膠組裝體與Con A 的相互作用。由于Con A 和葡聚糖納米凝膠均溶解在HEPES緩沖溶液中，首先將HEPES 緩沖溶液滴加到Con A 溶液中得到溶液的稀釋熱。再把葡聚糖納米凝膠逐滴加入到Con A 溶液中，扣除稀釋熱后得到圖4 所示的放熱曲線。在葡聚糖納米凝膠中，丙烯酸甲酯具有一定的疏水性從而傾向于集中在納米凝膠的內(nèi)部，因此納米凝膠的表面會存在較多親水性葡聚糖鏈段。Con A能夠識別結(jié)合葡聚糖納米凝膠表面的葡聚糖鏈段，從而放出熱量。

圖 4 Con A 與Dex NG 相互作用的放熱曲線Fig. 4 Exothermic curve showing the interaction between Con A and Dex NG

該高層級自組裝體的粒徑可以通過改變葡聚糖納米凝膠同Con A 的質(zhì)量比（mNG/mConA）進行調(diào)控。如表1 所示，高層級自組裝體的粒徑隨著mNG/mConA的減小而逐漸增大，Zeta 電位也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢。隨著Con A-Dex NG 粒徑的增加，整個體系水溶液在300～800 nm 的光學(xué)吸收也逐漸增強（圖5（a））。與此同時，宏觀上溶液也隨之變得渾濁。當(dāng)mNG/mConA=2 時，體系中出現(xiàn)明顯的白色沉淀（圖5（b））。

表 1 mNG/mCon A 對Con A-Dex NG 流體力學(xué)粒徑、粒徑分布和Zeta 電位的影響Table 1 Influence of mNG/mCon A on hydrodynamic diameter, PDI and Zeta potential of Con A-Dex NG

圖 5 Con A-Dex NG 的紫外-可見吸收光譜（a）和圖像（b）Fig. 5 UV-Vis spectra （a） and image （b） of Con A-Dex NG

綜上所述，高層級自組裝過程可能存在的機理如圖6 所示。當(dāng)體系中Con A 非常少時，Con A 通過與葡聚糖的結(jié)合位點修飾在少量的Dex NG 表面，此時Con A-Dex NG 與Dex NG 的粒徑、Zeta 電位均相差不大。隨著Con A 的增多，越來越多的Dex NG 表面被Con A 修飾，由于此時Con A 以四聚體的形式存在，以Con A為連接點可以將多個Dex NG 連接在一起形成新的粒徑較大的納米凝膠。

圖 6 Con A-Dex NG 高層級自組裝體制備示意圖Fig. 6 Scheme of the fabrication of Con A-Dex NG high order self-assembly

該高層級自組裝機理的推測被TEM 結(jié)果進一步證明。如圖7 所示，當(dāng)mNG/mConA=10 時，Con A-Dex NG 呈均勻分布的球形，粒徑約為90.8 nm，其形貌與圖2（c）所示的納米凝膠相仿，但粒徑略大，粒徑的增大與納米凝膠表面的Con A 分子層有關(guān)。當(dāng)Con A 繼續(xù)增多時，更多的Dex NG 在Con A 作用下發(fā)生高層級自組裝，形成粒徑更大的納米團聚體。如圖7（c）所示，當(dāng)mNG/mConA=5 時，Con A-Dex NG 的粒徑為143.1 nm，呈規(guī)則的球形，且此時納米凝膠的襯度明顯增加，側(cè)面證明此時Con A-Dex NG 是由多個Dex NG 自組裝而成。在此基礎(chǔ)上再增加Con A，比如當(dāng)mNG/mConA=2 時，足夠多的Dex NG 團聚在一起形成了肉眼可見的沉淀。

圖 7 Con A-Dex NG 高層級自組裝體的TEM 照片F(xiàn)ig. 7 TEM images of Con A-Dex NG high order self-assembly

2.3 細胞毒性

Con A 已顯示出對多種癌細胞的抑制效果，如A375、HepG2、U87 膠質(zhì)瘤母細胞等[35]，但Con A 對肺癌細胞是否同樣具有抑制作用尚未得到證明。本文選取非小細胞肺癌A549 細胞，分別探究了游離的Con A 和含有Con A 的高層級自組裝體Con A-Dex NG 對A549 細胞的抑制作用。本課題組已經(jīng)證明水溶液中的葡聚糖納米凝膠對人臍靜脈內(nèi)皮細胞HUVEC、人乳腺癌細胞MCF-7 和MDA-MB-231 以及人宮頸癌細胞HeLa 均具有良好的生物相容性[34]。本文證明了該葡聚糖納米凝膠對A549 細胞的低毒性。如圖8（a）所示，當(dāng)原始葡聚糖納米凝膠質(zhì)量濃度達到500 μg/mL 時，細胞依舊能夠達到幾乎100%的細胞活性。透析到HEPES 緩沖溶液體系中后，葡聚糖納米凝膠依舊具有很好的生物相容性，但由于Ca2+和Mn2+的加入，細胞活性稍有降低，但都保持在90%以上。圖8（b）證實游離的Con A 對A549 細胞具有殺傷作用，且存在濃度依賴性。當(dāng)Con A的質(zhì)量濃度為10 μg/mL 時，僅有40%的細胞可以存活，而當(dāng)Con A 的質(zhì)量濃度為20 μg/mL 時，細胞的死亡率可以達到90%以上。Con A-Dex NG 高層級自組裝體對A549 細胞也存在抑制作用，且隨著Con A 質(zhì)量濃度的增加而增加。由此可見，高層級自組裝過程并不會影響Con A 的抗腫瘤活性。同時葡聚糖納米凝膠本身也可作為載體負載抗腫瘤藥物，故該高層級自組裝體在多功能診療方面可能存在廣闊的應(yīng)用前景。

圖 8 A549 細胞的細胞毒性：（a）水溶液體系中和HEPES 緩沖溶液體系中的Dex NG；（b）游離Con A 和Con A-Dex NGFig. 8 A549 cell viability: （a） Dex NG@Water and Dex NG@Buffer; （b） Free Con A and Con A-Dex NG

3 結(jié) 論

（1）基于GISA 法所得葡聚糖納米凝膠表面存在的葡聚糖與凝集素Con A 之間的特異性識別作用，可以構(gòu)筑主要組成為多糖和凝集素的高層級自組裝體。

（2）借助葡聚糖與Con A 的分子識別作用，調(diào)節(jié)Con A 和葡聚糖納米凝膠的質(zhì)量比可以制備不同尺寸的高層級自組裝體。

（3）游離的Con A 對A549 細胞具有抑制作用，且Con A 在參與高層級自組裝的過程中其生物活性保持不變。