英文原題：Tailoring Kidney Transport of Organic Dyes with Low-Molecular-weight PEGylation
作者：Bujie Du (杜步婕)，Xingya Jiang (蔣興埡)，Yingyu Huang (黃穎鈺)，Siqing Li (李思清)， Jason C Lin, Mengxiao Yu (余夢曉)，Jie Zheng (鄭杰)*
通訊作者：Jie Zheng (鄭杰), The University of Texas at Dallas
研究超小型納米材料的微小變化如何引起不同的生物體響應是非常重要并且基本的問題。這些基礎研究不僅可以幫助我們更清楚地在納米水平上了解我們的生物體，同時對于調控納米材料的功能性以及毒性等具有重要的指導意義。在過去的幾十年，研究人員努力研究硬納米材料的微小變化和生物響應之間的關系并發現了一系列的尺寸效應，其中包括在生物體清除和腫瘤靶向方面。例如，Chan等發現金納米顆粒靶向腫瘤的效率很強地依賴于納米顆粒的尺寸并且觀察到60 nm 能夠最大程度地靶向腫瘤。Choi等發現腎小球濾過量子點也是依賴于尺寸并且~5.5 nm 是腎小球能濾過的臨界值。在2017年，鄭杰實驗室發現尺寸小于1 nm的金納米團簇（盡管金納米團簇之間只有微小的7個金原子的區別）在腎小球中的濾過依賴于一個和傳統認知所不同的相反尺寸效應，即在1 nm以下，金原子越少的金納米團簇被腎臟清除的越慢，并且腎臟清除的速度隨著金原子的減少指數下降。這些重大的發現清晰地表明生物體能夠靈敏地對這些看似變化不大的硬納米材料做出足夠強的響應。除了硬材料，軟材料在疾病的診斷和治療方面也有著廣大的應用，然而，相應的軟材料的微小尺寸變化如何引起生物體的不同響應目前尚不清楚。
PEG分子的生物相容性、雙親性、尺寸可調控性以及可改變被修飾分子的生物特性都使得PEGylation成為目前在醫藥方面最廣泛使用的化學修飾方法。PEG分子被腎小球清除也具有尺寸效應，即分子量介于1500-4000 Da的PEG分子能夠快速地通過腎小球濾過膜，然而分子量介于6000-40000 Da的PEG分子和腎小球濾過膜有相互作用且越大的PEG分子通過腎小球濾過膜越困難，使得它們被清除到尿液的量也相應地減少。例如，PEG10 kDa, PEG20 kDa以及PEG40 kDa在24小時注射之后所清除到尿液的含量成遞減的趨勢，分別為44.1, 42.2, 14.7% ID (注射量的百分比)。正因為如此，PEGylation對于調控小分子的血液停留時間以及清除動力學已經成為一個簡單又普遍使用的化學方法。例如，分子量大于20 kDa PEG分子的共價連接明顯地提高了ICG (吲哚菁綠)在血液中的停留時間。然而，由于分子量小于10 kDa的PEG分子快速地被腎小球濾過，它不能明顯并有效地延長有機小分子在血液的停留時間。例如，分子量為2000 Da的PEG分子僅僅使zidovudine的血液停留時間提高了15%。基于目前的研究，人們普遍認為分子量大于10000 Da的PEGylation才能夠有效地調控（降低）小分子的腎臟清除速度，但低分子量（<10000 Da）的PEGylation只能對小分子的腎臟清除速度做出微小甚至可以忽略的調控。然而，對于不同尺寸且小于10 kDa的PEGylation到底如何影響小分子的腎臟清除目前沒有一個系統的研究。科研人員所觀察到的生物體對于硬納米材料的高靈敏度激勵著人們重新來研究PEGylation（軟材料）的微小尺寸變化如何引起生物體的響應并需解決以下問題：（1）生物體對于分子量低于10 kDa且不同尺寸的PEG分子能否有效地做出不同的響應？（2）低分子量的PEGylation到底是如何影響小分子的腎臟清除的？
針對以上亟待解決的問題，德克薩斯大學達拉斯分校的鄭杰教授和本文的第一作者杜步婕博士選擇了一個具有代表性，紅外一區并且腎臟可清除的染料（IRDye800CW）進行一系列不同分子量（均小于10 kDa）的PEG修飾（PEG22, PEG45, PEG77, PEG110, PEG220）并研究其生物體的響應。傳統認為，分子量越大的PEGylation能夠更有效地調控小分子的腎臟清除，然而，鄭杰團隊發現了一個獨特的分子量尺寸效應，即PEG45 （分子量為2100 Da）能最大程度地加快IRDye800CW的腎臟清除（圖1）。
圖1. 分子量低于10 kDa的PEGylation 對IRDye 800CW 腎臟清除的影響。
為了進一步的研究，鄭杰團隊對此研究了800CW, 800CW-PEG22, 800CW-PEG45以及800CW-PEG220的藥代動力學（圖2）。他們發現PEG45的獨特性是因為PEG45不僅加快了IRDye800CW 的腎小球濾過同時縮減了其與生物基本組織的作用。
圖2. 分子量低于10 kDa的PEGylation 對IRDye 800CW 藥代動力學的影響。
正因為800CW-PEG45的快速腎臟清除以及和生物背景組織的弱作用，PEG45成功地幫助800CW非介入性地點亮生物體的腎臟（圖3）。
圖3. 非介入性的實時監測800CW-PEG45在腎臟中的動態變化以及其在腎臟組中的分布。
另外，此PEG45的獨特性可以普適到另外兩種有機小分子染料，ZW800-1和熒光素（fluorescein）（圖4）。
圖4. PEG45 的普適性。
此工作的發現突出了低分子量PEGylation對于調控有機小分子染料在生物體中流動速度的重要性，這將擴充小分子在生物醫藥中的應用。本研究的相關結果發表于Bioconjugate Chemistry, 并被選為 ACS Editors' Choice。本項目得到了NIH, Welch Research Foundation的資金支持。
Bioconjugate Chem. 2019, ASAP
Publication Date: November 7, 2019
https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.9b00707
Copyright ? 2019 American Chemical Society
