[AFM] 水凝胶-双齿-β-环糊精仿生葡萄糖触发胰岛素释放系统
通讯作者：陈咏梅教授；王任其；梅英武
通讯单位：陕西科技大学；郑州大学基础医学院
在长期的进化中，人体形成了一套精细的、专一性识别和代谢葡萄糖分子的生物系统。随着人民生活水平提高，糖尿病已经严重危害民众健康并给社会带来了沉重的经济负担。频繁检测血糖浓度和注射胰岛素的治疗方式给患者带来不适和痛楚，同时存在着注射剂量难以控制和血液疾病传播等潜在风险。因此，研发智能控释胰岛素释放的仿生生物材料是实现糖尿病患者血糖水平长效控制的理想解决方案之一。
基于此，陕西科技大学陈咏梅教授和王任其副教授与郑州大学基础医学院梅英武副教授合作设计了一种基于二齿-β-环糊精的水凝胶体系。通过在2，6-二甲基-β-环糊精（DM-β-CD）上精确引入一对苯硼酸取代基团，形成符合D-葡萄糖分子拓扑结构的分子狭缝，可专一性地与D-葡萄糖分子结合并释放出质子导致水凝胶体积溶胀，从而促使水凝胶中预负载的胰岛素快速释放到血液中。二齿-β-环糊精的制备仅需3步反应，不需要苛刻的合成条件，而且反应收率很高。负载二齿-β-环糊精的水凝胶在I型糖尿病小鼠体内快速响应高血糖症并释放胰岛素，实现了12 h内长效控制血糖水平。相关工作以“Biomimetic Glucose Trigger-Insulin ReleaseSystem Based on Hydrogel Loading Bidentate β-Cyclodextrin”为题发表在AdvancedFunctional Materials上。
图1. 2,6-O-二甲基-β-CD（DM-β-CD）的D-葡萄糖受体的合成路线：（i）D-葡萄糖桥连缀合物2和2'的合成；（ii）2在DM-β-CD上的亲核取代；（iii）AcOH催化水解硼酸酯键以及D-葡萄糖响应性水凝胶溶胀和胰岛素释放的机制。
该合成方法与以往化学合成的D-葡萄糖配体不同，二齿-β-环糊精具有良好的生物相容性，并且制备方法简便。研究人员利用β-环糊精主环直径与D-葡萄糖分子尺寸相匹配的特征，在β-环糊精主环上精确引入了两个苯硼酸取代基团，形成与D-葡萄糖分子拓扑结构和顺式二羟基官能团均匹配的分子缝隙，从而制备可专一性识别D-葡萄糖的二齿-β-环糊精。利用基质辅助激光解吸飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS），核磁氢谱和二维核磁（COZY和NOESY）表征，证实了新型β-环糊精的超分子结构。
图2. 水凝胶的响应：（a）不含CD衍生物的水凝胶在PBS溶液（1#）和葡萄糖溶液（40 mM）（2#）中平衡，gel-4PACD-10在PBS溶液（3#）和葡萄糖溶液（40mM）中平衡的照片（4#）。注射器直径为Φin=4.0±0.05 mm;（b）水凝胶的显微图像，4-CH2PACD掺杂到水凝胶中作为葡萄糖受体聚集成直径为100 µm的颗粒(3#)，而当水凝胶浸入葡萄糖溶液（4#）时，颗粒分解（比例尺100nm）：（c）凝胶-4PACD-10在葡萄糖溶液（40mM）中平衡时间的溶胀率（SR）；（d）gel-4PACD-（10，20，30，40，50，60）在单糖（C4-CH2PACD：Cmonosaccharide=1:1）的混合溶液中的SR；（e）gel-4PACD-10和gel-3PACD-10在各种糖溶液中的SR（C=10mM）；（f）在不同浓度的葡萄糖溶液中平衡的凝胶4PACD-10的SR。
制备二齿-β-CD的新型葡萄糖配体包含葡萄糖狭缝，显示出与D-葡萄糖的高效特异性结合。将4-CH2PACD掺杂到水凝胶中，赋予水凝胶对D-葡萄糖的特异性体积响应。高浓度D-葡萄糖导致凝胶膨胀，该特征有助于实现自我调节的特定葡萄糖响应性胰岛素释放。动物实验表明：在糖尿病小鼠中植入预加载二齿-β-CD和短活性胰岛素的水凝胶能够实现长效血糖控制，为双重自我调节智能胰岛素释放系统提出了一种新思路。