聚(2-噁唑啉)：生物醫學的多功能聚合物平台

Victor R. de la Rosa¹, An Van Den Bulcke², Richard Hoogenboom¹

¹Supramolecular Chemistry Group, Department of Organic and Macromolecular Chemistry Ghent University, Krijgslaan 281-S4, 9000 Ghent, Belgium, ²ChemTech, Department of Organic and Macromolecular Chemistry, Ghent University Krijgslaan 281-S4, 9000 Ghent, Belgium.

Material Matters, 2016, 11.3

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引言

將聚合物引入生物醫學領域為組織工程、植入物設計、生物感應和藥物傳輸開闢了新的道路。聚合物與藥物的協同結合，提供了一種方法來滿足尚未滿足的重大醫療需求，例如連續持續的藥物釋放，或是將高藥物載荷傳送至特定組織。因此，聚合物是癌症治療、再生醫學和基因治療等領域的關鍵組成部分。

聚乙二醇（PEG）又稱為聚環氧乙烷（PEO），是生物醫學中使用最廣泛的聚合物，可增加蛋白質的半衰期和免疫原性。雖然 PEG 基於其低分散性 (Ð)、生物相容性以及免疫系統有限的辨識度 (隱身行為)，仍是聚合物生物醫學應用的黃金標準，但它也有一些缺點和限制。例如，在相當多的病患身上觀察到抗 PEG 抗體，^1,2 包括 25% 從未使用 PEG 藥物治療的病患 (因為它在化妝品和食品添加劑中無處不在)。這提示了多次注射 PEG 結合物後血液清除加速的原因。³ 此外，PEG 的聚醚骨架容易氧化降解，⁴ 對於植入物的防污表面等長期應用而言，這是一個顯著的缺點⁵ 而且可能誘發 PEG 介導的補體活化。^6-8

儘管如此，PEG 在生物醫學應用上的成功，為下一代高分子生物材料的發展鋪平了道路，這些材料具有更高的多功能性和更多樣化的結構可能性，可以滿足醫學上的新挑戰，以及在藥物負載、反應性、靶向性和標籤方面的要求。^9-11 Poly(2-alkyl/aryl-2-oxazoline)s，通常縮寫為 PAOx、POx 或 POZ，提供比 PEG 更高的穩定性、可調性和官能化性，同時保留生物相容性、¹² 隱藏性和低分散性等必要特性。PAOx 聚合物的優異特性使其可廣泛應用於各種不同的生物醫學領域，從靶向藥物傳輸和藥物配方到組織工程和組織黏合劑。^13,14 This overview on biomedical applications of PAOx presents a special emphasis on their contribution and potential impact on drug delivery applications.

性質與生物相容性

15

可透過選擇親電性啟動劑 [烷基鹵化物、酸鹵化物、(pluri) tosylates、(pluri)triflates、(pluri)nosylates 等] 和親核性終止劑（胺、硫醇酸鹽、羧酸鹽等），在聚合物鏈的兩端引入官能性。控制聚合物鏈端的功能性可加入成像用的靶向單元或放射性標籤，同時也可將 PAOx 用於表面或奈米粒子修飾。此外，側鏈可透過修改 2-噁唑啉單體的取代基來調整，從而控制聚合物的親水-疏水平衡和較低的臨界溶液溫度 (LCST)。¹⁶ 這種側鏈可調性可沿聚合物鏈引入多個官能基團，並製備水凝膠或高藥物載荷的傳遞載體。

圖 2 s顯示了一系列疏水性程度不斷增加的 PAOx。雖然聚(2-甲基-2-噁唑啉)或 PMeOx 顯示出比 PEG 更高的親水性，¹⁷ 但具有較長烷基側鏈的 PAOx 則呈現出熱滲透行為，轉換溫度隨著聚合物側鏈疏水性的增加而逐漸降低。與用於生物醫學應用的黃金標準熱滲透聚合物聚 (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM, LCST = 32 °C, Product No. 806471），PAOx 展現出最小的熱滯後行為，且轉換溫度可透過親水性和疏水性 2-oxazolines 的共聚來微調。¹⁸ 這種可調性使 PAOx 成為開發刺激反應式智慧材料的理想聚合物，可應用於偵測、診斷和觸發給藥等領域。

圖 1. 2-oxazolines 的活體陽離子開環聚合 (CROP)。α端和Ω端均可通過選擇啟動劑（方案中的甲苯磺酸酯）和終止劑（親核劑）來進行官能化。透過單體的連續添加，可得到定義良好的嵌段共聚物，並產生分散值極低 (通常 Ð = 1.05-1.30)的聚合物。

圖 2. 一系列 PAOx 衍生物顯示出與天然多肽類似的結構及其兩親特性。其較低的臨界溶液溫度 (LCST) 可透過共聚來微調。PiPrOx 和 PnPrOx 是聚 (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM, LCST = 32 °C) 的結構異構體和潛在替代品。

如圖 2所示，PAOx 的結構與天然多肽類似，這也是 PAOx 具有隱身特性和優異生物相容性的原因。PAOx 在血液中的清除速度非常快，而且在網狀內皮系統器官中的吸收率非常低，這一點在使用放射性標記的 5 kDa PMeOx 和聚(2-乙基-2-噁唑啉)或 PEtOx 進行的生物分布研究中得到了證明，²² 這兩種材料的表觀清除限值為 40 kDa。²³ 在 vivo 毒性試驗中，大鼠重複靜脈注射 10 和 20 kDa 的 PEtOx，在廣泛的濃度範圍 (500 至 2,000 mg/kg)，都沒有發現不良反應。¹⁷ 也許 PAOx 生物相容性最令人放心的例子是第一種以 PAOx 為基礎的商用藥品的開發，目前正在進行首次人體第一階段臨床試驗。²⁴

由於 PAOx 具有優異的生物相容性和合成多樣性，因此作為藥物傳輸的未來首選平台正吸引越來越多的興趣，而且在這個領域已經取得了顯著的進展。開發中的應用解決了目前在高載藥量靶向給藥、結合治療、藥物持續釋放和配方方面的挑戰。Figure 3, 中概述了使用 PAOx 遞送藥物的主要研究策略，這些策略可與活性藥物成分 (API) 與聚合物共價或非共價連結的系統加以區分。

圖 3. 概述 PAOx 為藥物輸送應用所提供的主要策略。PAOx 可提供量身訂做材料特性的卓越能力，使其適用於各種不同的藥物輸送方法。

非共价连接给药

PAOx作为药物制剂中的赋形剂

聚合物对给药的最直接贡献可能就是将其用作赋形剂，在赋形剂中，API与作为基质的聚合物一起分散，以提高药物的溶解度。²⁵熱熔擠壓 (HME) 或噴霧乾燥將適當的聚合物與 API 混合，可形成固體溶液，使藥物穩定為非結晶形式，大幅增加其溶解度與生物利用度。

De Geest 等人使用 Aquazol 通過 HME 製備了酒石酸美托洛尔/PEtOx 和非诺贝特/PEtOx 的片劑。對於親水性的酒石酸美托洛尔和疏水性的非諾貝酸來說，聚合物摩爾質量的變化可以加速或減緩其釋放特性。²⁷ 此外，PAOx 配方已被證實可顯著增強敏感大麻素的穩定性，其表現明顯優於最先進的商用聚合物。²⁸ 最近開發的製造藥物應用所需的高摩爾質、低分散性 PAOx²⁹ 的方法可望加速 PAOx 在藥物配方中的使用。

以 PAOx 為基礎的膠束系統

親水聚合物可自我組合成為膠束或聚合物體，其中的形態可透過調整聚合物長度和成分來選擇。膠束系統的優勢在於它能讓水溶性較差的藥物有較高的負載量，這對許多新的癌症治療方法來說是一大挑戰。

PAOx允許高度定義聚合物結構和組成，可透過共聚微調聚合物的親水性-疏水性平衡，進而控制膠束尺寸和藥物釋放特性。大多數報導的 PAOx 基於膠束的系統都具有混合 PAOx-聚酯 (PAOx-PE) 的二嵌段結構，或是由親水性和疏水性 2-oxazoline 單體依序添加合成的 ABA 三嵌段結構。

Zhao與合作者使用Boc-NH-PEtOx-OH作為ε-己內酯聚合的大引发劑，並隨後以葉酸分子對親水性PEtOx進行官能化。這樣就得到了葉酸修飾的膠束，可以載入多柔比星（Doxorubicin，產品編號D1515），容量高於 10 wt.%。³⁰類似的靶向膠束系統載入了吲哚菁綠，一種FDA認可的近紅外線染料，可以對KB腫瘤在體內進行腫瘤成像和有效的光熱治療。³¹

透過結合不同官能化的 PAOx，可以在膠束外殼中加入多種靶向分子，以增強細胞吸收，最近就有 PEtOx-b-P(d-l-lactide) 系統的報導。³²

由 Kabanov、Jordan 和 Luxenhofer 開發的膠束系統研究得非常透徹，它由 ABA 三嵌段結構組成，具有疏水性中嵌段聚 (2-n-butyl-2-oxazoline) 或 PBuOx 和兩個外嵌段 PMeOx。³³ 此聚合物系統可產生尺寸低於 100 nm 的穩定膠束，以及無與倫比的高藥物載荷能力，可載荷水溶性較差的抗癌藥物。³⁴ 在這些高容量膠束系統中，結合多種 API 所產生的協同效應也有報導。³⁵ 目前，Kabanov 的團隊正在建立一個化學資訊資料庫，以預測哪些藥物最能利用這些以 PAOx 為基礎的膠束載體。

以 PAOx 為基礎的水凝膠

在聚合物側鏈上引進功能性，可以用多種策略來製備以 PAOx 為基礎的水凝膠。^36,37 Lecommandoux 等人透過部分水解的方式，沿著 PEtOx 鏈引進反應性胺基單元。獲得的 PEtOx-PEI 共聚物隨後在水性介質中與雙脫甘油醚交聯，產生生物相容性球形奈米凝膠，具有藥物傳輸應用的最佳尺寸。^38,39此外，與商用 Matrigel^® 和 Pluronic^® F127（產品編號.P2443）在vivo.⁴⁰

Dargaville et al.將 MeOx 與 2-(癸-9-烯基)-2-噁唑啉共聚，獲得具有烯側鏈的親水聚合物，這些聚合物以 CRGDSG 多肽序列進行官能化，以促進細胞黏附。接著在二硫醇的存在下進行交聯，就能以一鍋方式產生透明的水凝膠。凝膠化過程的溫和條件允許在 UV 媒介的固化過程中包覆成纖維細胞，從而獲得對組織工程和再生醫學有興趣的三維細胞聚合物結構。⁴¹

共價連結的藥物結合物

PAOx-藥物和 PAOx-蛋白質結合或 PAOxylation

42,43有趣的是，研究發現 PEtOx-胰島素結合物可降低血糖水平達 8 小時之久，是游離胰島素的四倍。¹⁷ Kabanov 等人用 NHS 活化酯對一些哌嗪封端的 PAOx 進行官能化，並製備了辣根過氧化酶的結合物。⁴⁴蛋白質保留了 90% 的活性，並且發現使用兩親性 PMeOx- 或 PEtOx-b-PBuOx 共聚物時，與未修飾的蛋白質相比，細胞吸收量增加了三到六倍。類似的共聚物也被用來結合超氧化物歧化酶1 (SOD1)，在體外顯示出神經元對結合物的吸收增強，在體內則能有效通過血腦屏障。⁴⁵

沿親水的 PMeOx 或 PEtOx 鏈引入可點擊基團⁴⁶已被證明是蛋白質和藥物結合的有效策略。MeOx 和 EtOx 與 2-(戊-4-炔基)-2-噁唑啉或 PynOx 的共聚物提供了多個連結點來穩定病毒樣顆粒 (VLP)。180 份 Qβ 噬菌體外衣蛋白的超分子組裝形成了二十面体 VLP，並使用疊氮化-N-羥基琥珀酰亞胺酯對其表面進行了疊氮化裝飾。在銅催化的疊氮化烷基環加成 (CuAAC) 與 PMeOx/PEtOx-ran-PynOx 共聚物點擊後，產生了 PAOx 包裹的 VLP，具有極高的熱穩定性。⁴⁷

Serina Therapeutics 已使用類似的 PEtOx-ran-PynOx 聚合物製造出可持續釋放一週的羅替高汀，用於治療帕金森氏症。API 透過 CuAAC click 化學與聚合物連結，並使用可生物降解的酯墊片，使藥物得以持續釋放，進而達到穩定的血漿濃度。⁴⁸ 這種聚合物命名為 SER-214，目前正在進行第一階段臨床試驗，如果成功的話，將成為第一種經 FDA 核准的 PAOx 治療劑。²⁴

Hoogenboom et al.⁴⁹ 作者證實，由於可透過與胺直接酰胺化來引入多種分子，因此所產生的裝飾聚噁唑啉鏈的甲酯官能性構成了用途廣泛的反應柄。⁵⁰

未來的多種藥物負載 PAOx-API 結合物肯定會藉由在聚合物鏈端加入靶向分子 (例如葉酸基團或抗體) 來改善。

PAOx-functionalized Nanoparticles

納米顆粒 (NPs) 能夠容納多種功能基團，同時提供獨特的光學、電子或磁性特性，因此在生物醫學（包括成像和藥物傳輸）領域具有巨大的發展潛力。當 PAOx 與 NPs 連接時，可形成隱形電暈，提供奈米粒子的穩定性，防止快速清除，並作為納入生物活性化合物的可靠支架。在此背景下，Benetti 與合作者將 PMeOx-OH 與硝基多巴胺功能化，用於對成像感興趣的 ZnO 奈米晶體的功能化。⁵¹

除了賦予 NPs 穩定性和隱形效果之外，PAOx 的熱伸縮特性還被利用來製備反應性或智慧型 NPs，這些 NPs 在受到外部刺激時會聚合。²⁰最近，基於聚有機硅氧烷的螢光 NPs 被熱響應性聚(2-異丙基-2-噁唑啉)或 PiPrOx 功能化（圖 2）。在 31 °C 以下，當 PiPrOx 奈米顆粒分散在含血清的介質中時，會展現出抗污行為。然而，加熱超過此溫度會導致血清蛋白吸附在奈米顆粒上，降低溫度即可逆轉。¹⁹

最後，正如之前在 PAOx 基膠囊和結合物中所看到的，PAOx 可以增強納米粒子在生物屏障中的滲透性。Khutoryanskiy 等人使用 5 kDa 的烷基封端 PEtOx，透過硫醇-烯化學將硫化矽 NPs 功能化。⁵² 考慮到 PAOx 成分和親水性-疏水性平衡的直接可調性，進一步的發展可望帶來更高效的藥物傳輸載體，並提高滲透生物障礙的能力。

結論與展望

聚噁唑提供了大量的可能性來製造影響各種生物醫學應用的材料，這對於此類聚合物來說是獨一無二的。PAOx 已經在大量獨立研究中展現了優異的生物相容性和穩定性，而聚噁唑啉治療劑的第一個人體第一階段臨床試驗也正在進行中。憑藉其結構和功能的多樣性，以及噁唑啉聚合所提供的高度控制性和清晰度，PAOx 構成了開發下一代藥物傳輸系統的極具吸引力的多功能平台。

鳴謝

V.R.R.感謝法蘭德斯創新與創業基金會提供的財務支持。

材料

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