哈勃|清华大学陶磊团队《Nature》子刊：Hantzsch反应高通量制备X射线防护聚合物哈勃

文章图片

文章图片

来源：【高分子材料科学】微信公众号
背景
意外的核泄漏增加电离辐射的风险， NASA最近证实了在外太空停留340天的两个兄弟之一由于强烈的电离辐射导致其8–9％DNA发生永久突变。人类还没有为需数年甚至数十年的太空旅行做好放射防护准备。辐射防护器的研究已有60多年的历史了，如氨磷汀（一种硫代磷酸酯）是美军抗辐射药物开发计划所研究的，已取得了可观的成果。然而，氨磷汀迅速被人体排出，并具有严重的副作用（如低血压，发烧，恶心和呕吐），这极大地限制了其应用。因此迫切需要安全有效的放射防护剂来治疗或预防由高剂量的辐射引起的急性伤害。
最近，清华大学的陶磊团队以多组分反应（MCR）为基础制备具有辐射防护功能的聚合物。 MCR功能强大，可以轻松以高通量的方式制备单体/聚合物库。这种方法可以克服开发安全有效的聚合物辐射防护剂的限制。作者报道了通过Hantzsch反应以高通量方式高收率合成了单体库，这些单体高通量共聚反应构建水溶性聚合物库。然后通过高通量测量筛选这些聚合物，实现具有最佳抗辐射能力的生物相容性聚合物。在细胞和体内实验中，这种选定的聚合物可有效保护细胞和斑马鱼胚胎免受致命剂量的电离辐射（80 Gy X射线）的伤害（图 1）。文章以“High-throughput preparation of radioprotective polymers via Hantzsch’s reaction for in vivo X-ray damage determination”为题发表在《Nature Communications》期刊。
图1：基于Hantzsch反应的抗辐射聚合物。
结果和讨论
通过Hantzsch反应和相关聚合物库的高通量制备单体库
通过高通量方式的Hantzsch反应，将商购获得的单体甲基丙烯酸2-（乙酰乙酰氧基）乙酯高效（88–98％）转化为含有不同的1 ， 4-DHP部分的单体。使用九种醛的不同组合创建了45种Hantzsch单体（M(X)(Y)）（图2a）。通过1H NMR鉴定14-DHP环中乙烯基和次甲基的质子之间的积分比与理论值一致（图2b），表明可以通过高通量 Hantzsch反应轻松地制备不同的Hantzsch单体。通过自由基聚合将这些M(X)(Y)单体与聚（乙二醇）甲基醚甲基丙烯酸甲酯（PEGMA ， M n：950 g/mol）共聚，以高通量方式获得水溶性共聚物(P(X)(Y))（图 2a）。 PEG链末端的14-DHP次甲基和甲基之间的积分比与理论值非常匹配（图2c），表明在高通量自由基聚合后成功制备了所需的共聚物。
图2：Hantzsch单体和相关聚合物。 a) 高通量制备45种的单体和45种的聚合物。 b)单体的1H NMR谱。 c) 聚合物的1 H NMR谱。
第一轮筛选：高通量测量P(X)(Y)的自由基清除能力
辐射防护剂通常来自自由基清除剂。羟基自由基（OH? ， HOR）和超氧阴离子自由基（?O2- ， SOR）是由水和氧气分别在细胞对电离辐射产生的典型的活性氧物种（ROS）。 Galvinoxyl自由基（GOR）是一种抗氧化剂中常用的氧自由基。作者以高通量方式测量P(X)(Y)清除HOR ， SOR和GOR的能力。聚合物的自由基清除能力取决于自由基的种类以及A(X)和B(Y)的组合表明建立样本库以利用放射防护器的合理性和必要性。六种聚合物，即P(2)(1) ， P(2)(3) ， P(5)(4) ， P(8)(1) ， P(8)(2)和P(8)(4)（图 3 ，红色箭头）有效地清除85％以上的三个自由基，被选择用于下一个研究。
图3：聚合物的抗HOR ，抗SOR和抗GOR能力。
第二轮筛选：选定聚合物的放射防护能力的细胞实验
电离辐射导致的ROS迅速产生可扩散的次级自由基，这些次级自由基攻击DNA并导致DNA断裂以及细胞和器官损伤。作者以鼠成纤维细胞系L929为模型细胞，以测试六种所选聚合物的辐射防护能力。使用荧光素双乙酸盐/碘化丙啶（FDA / PI）双重染色法以激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）观察活细胞和死细胞（图 5a）。在空白组和P（PEGMA）组中，几乎没有细胞在80 Gy X射线辐射下存活，表明高剂量的X射线对细胞具有致死性， P（PEGMA）几乎没有放射防护能力。所选的聚合物具有浓度依赖性的辐射防护能力。 P(5)(4)对细胞没有保护作用。 P(8)(1)存在时，很少有细胞能幸免于辐射。 P(2)(3) ， P(8)(2)和P(8)(4)在对细胞具有保护作用，结果表明使用Hantzsch反应来研究辐射防护聚合物的可行性。