聚苹果酸的研究与发展

聚苹果酸的研究与发展摘要聚苹果酸由于优异的水溶性、生物相容性和生物降解性，具有广阔的研究意义和应用空间。本文介绍了聚苹果酸的分类和性质，以及化学合成和生物合成聚苹果酸的方法，并结合最新研究综述了聚苹果酸在药物载体等生物医学领域的应用和聚苹果酸的优化研究。关键词：聚苹果酸；聚合物药物；生物相容性ResearchandDevelopmentofPolymalicAcidAbstractPolymalicacidhasbroadresearchsignificanceandapplicationspaceduetoitsexcellentwatersolubility,biocompatibilityandbiodegradability.Thispaperintroducestheclassificationandpropertiesofpolymalicacid,aswellasthemethodsofchemicalsynthesisandbiosynthesisofpolymalicacid.Combinedwiththelatestresearch,theapplicationofpolymalicacidinbiomedicalfieldssuchasdrugcarriersandtheoptimizationresearchofpolymalicacidaresummarized.Keywords：Polymalicacid;Polymerdrugs;Biocompatibility前言聚苹果酸（PolyMalicacid，PMLA)是以苹果酸作为唯一单体，通过酯键连接而成。由于其优良的物理化学性质，受到越来越多科研人员的青睐。本综述对聚苹果酸的性质合成应用进行了总结：聚苹果酸具有易代谢易修饰的性质，其在体内可自发降解为苹果酸小分子，左旋苹果酸单体可被人体吸收，进一步代谢为水和二氧化碳。聚苹果酸易与其他官能团结合而被修饰。它的化学合成方法繁琐，需多次纯化分离，故目前有关生物合成聚苹果酸的方法改良探索的研究较多。目前存在的问题是聚苹果酸尚未做到大批量合成，以及降解速度过快，使其应用受阻，仍有待解决。聚苹果酸可与药物结合，做药物载体，它在体内降解后，可参与三羧酸循环，更有利于药物的吸收代谢，是一种良好的药物载体、生物医学材料，故被广泛使用在医疗行业等其他方面，因此研究探索聚苹果酸有重要的现实意义。近几年来，国内外对聚苹果酸的合成应用均有所研究，人们提出一种新的思路：聚苹果酸的优化，将树状结构的聚苹果酸改造为星型结构的聚苹果酸，侧链更多，药物结合靶点更多，更加有助于与药物的分散及吸收。1聚苹果酸的结构苹果酸是聚苹果酸的单体。在自然界中，有三种存在形式，即D-苹果酸、L-苹果酸及其混合物DL-苹果酸（图1）。能参与三羧酸循环的有效结构是L型，它易被人体吸收。图1苹果酸的结构聚苹果酸有三种主要结构：α型、β型、αβ型（图2）[1]。苹果酸分子的不对称碳原子上的羧基与位于不同碳原子上的另一分子的羟基缩合形成α型聚苹果酸，β型聚苹果酸是由苹果酸分子不对称碳原子上的羟基和另一分子不同碳原子上的羧基缩合而成，αβ型聚苹果酸是指混合结构的聚苹果酸[2]，只有β型聚苹果酸存在于生物体中，这是近年来的一个热门研究课题。图2PMLA的结构2聚苹果酸的性质2.1易代谢由图2可得，其结构上羧基较多，属于阴离子酸，因为自身酸性，常发生自身降解反应。在水溶液中，可以通过自然或酶促作用，降解产生小分子苹果酸，小分子苹果酸进一步通过三羧酸循环，无蓄积毒性地排出体外。2.2易修饰聚苹果酸众多的侧链羧基，经修饰或改性，可以引入药物分子，从而显著提高药物疗效，减少毒副作用。此外，由于聚苹果酸重复结构单元上存在不对称碳原子，使聚苹果酸具有手性，为聚苹果酸的研究提供了更多思路。3聚苹果酸的合成3.1化学制备法目前苹果酸的化学合成方法主要有两种：开环聚合法和直接聚合法[3]。3.1.1开环聚合法开环聚合法又分为内酯开环聚合法和丙交酯开环聚合法。内酯开环聚合法[4]：起始反应物可为天冬氨酸、苹果酸或溴代丁二酸，β-苄氧羰基β-丙内酯作单体，然后通过分子间脱水，得到聚苹果酸前体物质，最后苄酯氢解得到聚苹果酸。丙交酯开环聚合法：以天冬氨酸为起始反应物，通过保护羧基和取代羧酸等反应生成β-苄氧羰基β-丙内酯，然后通过分子间脱水生成六元环状单体二苄基二苹果酸酯，最后苄酯氢解得到α-聚苹果酸。张雨[5]等人对其合成工艺进行优化：以左旋天冬氨酸和左旋苹果酸合成的四元环为单体，苯甲酸四乙酯为引发剂，通过阴离子开环聚合制备聚苹果酸苄酯，最后通过用氢解去除去保护基团制备聚苹果酸。3.1.2直接缩聚法直接缩聚法只需要一步反应:起始原料为L型苹果酸，αβ型聚苹果酸通过高温直接脱水酯化得到。余文兵[5]等对其合成方法进行优化：将苹果酸用乙酰氯脱水，然后通过开环和脱水环化反应，得到的β-苄氧羰基β-丙内酯的总收率为32.2%，以它作为单体，自制的0.1wt%苯甲酸四乙基铵作为引发剂，在60℃下反应6天，然后，在室温下，以钯碳为催化剂，通过氢解得到β型聚苹果酸。以L型苹果酸为原料，直接聚合得αβ型聚苹果酸。直接缩聚法与开环聚合法相比，使用有机溶剂少，既环保又经济，有“绿色”反应的优点。但聚合结构不可控制，主要制备αβ型聚苹果酸。3.2生物制备β型聚苹果酸可以由各种粘菌和丝状真菌[7]合成。这些菌株可分为两种类型，即来自黏菌的长链PMLA和来自真菌的短链PMLA。真菌合成聚苹果酸的能力较强，黏菌合成聚苹果酸的能力较弱。李睿颖[8]等对合成方法进行了优化：通过正交试验确定了优化后的种子培养基的组成和配比，通过摇瓶试验确定了曲拉通的添加时间和添加量。转速、酸碱度和通气量的单因素试验在一个5L的发酵罐中进行。向发酵罐中加入2L不同浓度的灭菌发酵培养基继续发酵，从而确定割罐法的最佳补料组成。通过实验得到：5L小罐的最佳转速500r/min、通气量5.5L/min、pH控制在4.5。发酵24小时后，加入0.4mmol/L曲拉通，在该批次中获得的聚苹果酸总量达到318g。在处理好的发酵液中加入10%的甲醇，去除杂质普鲁兰后，再继续加入4倍体积的甲醇，得到聚苹果酸沉淀，得率为80.52%。采用上述方法每升发酵液的聚苹果酸产量提高了46.8%，单一批次的发酵时间增加了40h，产聚苹果酸总量是原来的2.25倍。此方法降低了发酵成本，并简化了提取的工艺，为聚苹果酸的产业化进一步奠定了基础。3.3化学制备方法和生物制备方法的比较聚苹果酸的化学合成方法，相对容易控制和简单。化学制备中开环法合成的产物主要是β型聚苹果酸，是唯一存在生物体内的构型，这种方法获得的聚苹果酸相对分子质量较大，但反应周期涉及多个步骤，包括大量的重复纯化时间。在生物制备中很难筛选到产酸能力强的菌株，发酵过程难以控制，发酵周期长，产量不高。4聚苹果酸的应用4.1用作药物载体材料聚苹果酸是一种高分子材料[9]，受到人们越来越多的关注和研究开发。天然聚苹果酸有在动物体内注射较大剂量不会引起动物特异性免疫反应的优良特性[10]，因此聚苹果酸优于作为药物载体的其他生物聚合物，如多糖、多肽和其他生物聚合物。作为药物载体的聚苹果酸，它的结构可以通过羧基的共聚或悬挂来调整，以完成控释药物的目的。聚苹果酸在其结构中含有羧基侧基，可以与其他官能团反应制备聚苹果酸衍生物，也可以与药物、小分子化合物或官能团反应[11]。Abdellaoui等[12]通过酰胺键将抗肿瘤药物阿霉素(Dox)与聚苹果酸结构中的羧基连接，形成共聚物PMLA-Dox。Yoncheva等[13]将抗凝血剂双嘧达莫与聚苹果酸结合，体外降解实验表明，该系统能在38天内有效抑制血小板聚集。Ljubimova等[14]首先，用N-羟基琥珀酰胺将聚苹果酸酯化以活化侧链上的羧基，然后与聚乙二醇、氨基、2-巯基乙胺(2-MEA)等反应，以通过酰胺键将它们与聚苹果酸主链连接，然后通过先前引入的2-巯基乙胺将单克隆抗体和抗癌药物反义核苷酸与聚苹果酸共价结合以形成硫醚键或二硫键。Jos’ePortilla-Arias[15]认为局部甲基化的聚苹果酸更适合作为药物载体。MDA-MB-231乳腺癌细胞可以吞噬荧光标记的药物-PMLA结合物，而甲基化后的聚苹果酸可以增强药物效果。聚苹果酸与抗肿瘤药物结合形成前药，延长给药周期，并且减少用药量，从而有效延长药物对肿瘤组织的作用时间。4.2用作生物医学材料经过一定的改性和加工后，聚苹果酸可用作生物医用材料，如用于烧伤、手术缝合线等伤口处理的绷带等[16]，因此被直接应用于人体。与生长因子连接的肝素可以与聚苹果酸和含有仲丁基和磺酸基团的三聚体结合以促进骨愈合。Jeanbat-Mimaud等[17]将上述材料植入小鼠受伤的骨骼中后，发现并不是聚苹果酸衍生物直接治愈了伤口，而是聚苹果酸衍生物与结合有生长因子的乙酰肝素结合，将它释放到伤口中并加速了伤口愈合的速度。4.3其他方面其含有许多侧链羧基，易于化学修饰成聚苹果酸衍生物，可制成化妆品、吸水材料、聚合物涂料、高分子胶束、表面活性剂等，具有生物活性[18]。5总结与展望作为一种新的载体系统，聚苹果酸具有良好的水溶性[19]、代谢性[20]、生物相容性[21]、无免疫原性和化学衍生性[22]，降解产物为无毒害的水和二氧化碳等优良特性，然而在应用过程中，发现仍有一些问题有待解决，例如，聚苹果酸在水环境中降解过快，难以达到长期的药物传递效果，其强电负性影响其作为药物载体将化疗药物携带入细胞的能力[23]。为了解决上述问题，我们需要加强一些基础研究工作。研究者发现通过在聚苹果酸上键合保护基团进行化学修饰，可将其改造为星型聚苹果酸，进一步增强载体药物降解的可控性，延长它在体内的半衰期，以及提高其携带化疗药物入胞的能力。星型聚合物有独特的三维球形结构。由于臂的缠结较少，它们在稀溶液中表现出较低的溶液粘度。同时，它们独特的内部和外围结构可以引入具有不同活性的官能团。星型聚合物具有独特的拓扑结构[24]。与线性类似物相比，星型聚合物通常具有特殊的物理化学性质，如结晶度低、端基多、流体力学体积小等[25]。由于其末端官能团的类型和数量的多样性，它比相同类型的线性聚合物具有更好的加工性能。通过改进星型聚合物的聚合方法和技术，可以实现更窄的多分散性，并且通过适当的设计，可以在星型聚合物内部形成巨大的空间来装载药物[26]。聚苹果酸为树状大分子，只有最表层是官能团，相对树状大分子来说，通过键合保护基团对聚苹果酸进行化学修饰，转化为星型结构的星型聚苹果酸，其具有更多的官能团，可以引入不同活性的官能团，使其降解更加彻底，降解的可控性增强，载体药物在体内的半衰期延长，药物传递效率提高，聚苹果酸载体药物的靶向机制进一步改善，药物选择性提高，协同药物传递效果增强。聚苹果酸的研究始于上个世纪六十年代，它优良的特性受到大量研究人员的关注与研发，而如今它的产量仍满足不了社会的需求量。到目前为止，聚苹果酸在实际应用中还没有大量投入，部分是因为其良好的水溶性和快速的降解速度限制了它的使用，同时因为合成路线还没有优化到可以大量制备的程度。相信随着研究的深入，存在的问题将逐步得到克服，聚苹果酸的应用价值将进一步提高。参考文献[1]张慧莉.微生物高效生产γ-聚谷氨酸和β-聚苹果酸的研究[D].浙江大学,2012.[2]李红保.生物材料β-聚苹果酸的膜分离纯化工艺研究[D].河北科技大学,2016.[3]曲飞燃.水溶性苝基荧光聚苹果酸的合成及其对细胞荧光标记的研究[D].天津理工大学,2017.[4]丁锐,李光吉.生物高分子聚苹果酸及其衍生物的合成与应用前景[J].高分子通报,2005(02):47-56.[5]张雨.β-聚苹果酸合成工艺优化及一种新晶型聚苹果酸苄基酯的性质研究[D].中国人民解放军空军军医大学,2018.[6]余文兵.聚苹果酸的合成研究[D].南京工业大学,2005.[7]BaroutiGhislaine,KhalilAli,OrioneClement,J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