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  來(lái)自生物分子、細(xì)胞和微生物的非特異性吸附（即生物污染）對(duì)醫(yī)療植入物，藥物遞送載體和生物傳感器等諸多應(yīng)用形成了巨大的挑戰(zhàn)。例如，醫(yī)療植入物在植入體內(nèi)后不久就會(huì)被宿主蛋白所覆蓋，進(jìn)而引起不可逆轉(zhuǎn)的異物反應(yīng)，包括炎癥、感染、組織纖維化等一系列醫(yī)源并發(fā)癥，最終導(dǎo)致失效。因此，減少或消除“生物污染”對(duì)于醫(yī)療裝置和藥物的安全性和功效性至關(guān)重要。

  一些親水性材料被證明可以通過(guò)水合作用形成水合外殼阻止生物分子或細(xì)胞接觸表面，使其底層的基底“隱身”，從而降低基底表面的生物污染。

  在這些親水性材料中，聚（乙二醇）（PEG）長(zhǎng)久以來(lái)被作為“金標(biāo)準(zhǔn)”廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療器械和藥物的開發(fā)中。然而，PEG易受氧化損害，并可引起不良免疫反應(yīng)，在近年來(lái)引起了對(duì)其安全性的嚴(yán)重關(guān)注。此外，包括PEG在內(nèi)的大多數(shù)親水材料的水合作用能力并不足以使表面完全隱身，很難滿足實(shí)際應(yīng)用的無(wú)污需求，尤其是在復(fù)雜的生理環(huán)境中。

  近日，華盛頓大學(xué)的研究人員報(bào)告了一種衍生自三甲胺氮氧化物（TMAO）的仿生聚合物作為新一代超親水隱形材料。 TMAO是一種在深海魚類中發(fā)現(xiàn)的兩性離子滲透物，可以抵消尿素和壓力對(duì)蛋白質(zhì)的不穩(wěn)定作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，TMAO獨(dú)特的兩性離子結(jié)構(gòu)賦予它優(yōu)異的水合能力，并且這種性能在TMAO的聚合物版本- PTMAO中得到很好的維持（圖1）。由于具有超親水能力，PTMAO表現(xiàn)出極為出色的抗非特異性蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞粘附的能力，且免疫原性極小。

高效抗生物污染

  該團(tuán)隊(duì)首先對(duì)TMAO聚合物在體外進(jìn)行污染測(cè)試，結(jié)果表明PTMAO對(duì)于纖維蛋白原的吸附量相對(duì)于聚丙烯（PP）下降了97.6%；PTMAO相對(duì)于PVA而言對(duì)于補(bǔ)體C5b-9的影響較小；從細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果來(lái)看，與TCPS相比，PTMAO在3天的細(xì)胞培養(yǎng)后其表面依然為潔凈表面（每100 μm2少于兩個(gè)細(xì)胞）。這些結(jié)果表明PTMAO具有高抗生物污染的性質(zhì)，有望用于醫(yī)療應(yīng)用。

圖二 PTMAO抗污染性質(zhì)的體外測(cè)試。（A）通過(guò)ELISA測(cè)定的纖維蛋白原吸附到PP和PTMAO水凝膠表面的相對(duì)吸附量。（B）使用PVA和PTMAO水凝膠進(jìn)行補(bǔ)體C5b-9激活對(duì)比。（C）培養(yǎng)3天后NIH 3T3細(xì)胞粘附于組織培養(yǎng)聚苯乙烯（TCPS）和PTMAO水凝膠上的數(shù)量。（D）在人血清中不同厚度的PTMAO薄膜的SPR傳感圖。

對(duì)免疫識(shí)別幾乎不可見！

  然后對(duì)TMAO的最小免疫原性進(jìn)行測(cè)試，5周的測(cè)試結(jié)果表明PEG接枝的鑰孔血藍(lán)蛋白(KLH,keyhole limpet hemocyanin)，能顯著的引發(fā)PEG特異性抗體（IgM平均滴度高于4000，IgG平均滴度高于1000），而TMAO對(duì)免疫識(shí)別幾乎是不可見的，TMAO接枝的KLH沒(méi)有引起可檢測(cè)的TMAO特異性抗體（IgM和IgG平均滴度低于200）。說(shuō)明TMAO聚合物即使在極具挑戰(zhàn)性的體內(nèi)環(huán)境中也可以保持其優(yōu)越的抗生物污染性。

圖三 評(píng)估PTMAO的免疫原性。（A）向C57BL/6J小鼠皮下注射PEG-KLH或PTMAO-KLH（n = 5）5個(gè)劑量（每周一劑）。在第7、14、21、28、35天時(shí)收集小鼠血液。通過(guò)ELISA試驗(yàn)檢測(cè)小鼠血清中聚合物特異的IgM（B）和IgG（C）的滴度。

  生物污染妨礙了醫(yī)療器械的性能，并對(duì)植入物的愈合過(guò)程產(chǎn)生不利影響。作為一種安全，高效的隱形材料，PTMAO的發(fā)現(xiàn)為解決生物污染帶來(lái)的許多棘手問(wèn)題提供了廣泛適用的工具，是隱形材料發(fā)展的重要里程碑。相關(guān)研究以“Trimethylamine N-oxide–derived zwitterionic polymers: A new class of ultralow fouling bioinspired materials”為題，發(fā)表在《Science》子刊《Science Advances》上。論文的第一作者為Bowen Li（李博文），共同第一作者為Priyesh Jain和Jinrong Ma，通訊作者為Shaoyi Jiang(江紹毅)教授。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw9562