基于荷电/糖基协同效应识别LDL的聚合物膜表面构建及其性能研究

Abnormally high level of plasma low-density lipoprotein (LDL) in human plasma is a key pathogenic factor that contributes to atherosclerosis and finally leads to coronary artery diseases (CAD), which have been posing great threats to human health for years. Therefore, how to further develop the easily-prepared and highly-selective LDL adsorbents for separation processes, that bio-inspired from the structure and function of LDL receptors on plasmalemmas, has became a frontier, interdisciplinary and challenging research subject involving Material Science, Biomedical Engineering and Polymer Chemistry, etc. Herein, a new concept was accordingly innovated based on the 'Charge/Glycosyl' synergistic effect to improve the LDL recognition process, which was derived from the similar structures - the negatively charged ligands and the saccharide enriched domain in natural LDL adsorbents and plasmalemmal LDL receptors, for their extraordinary high effective recognitions to LDL. Polymer membranes with high affinity for LDL will be prepared via the 'Click' Chemistry and 'Host-guest' Interaction,and the mechanism of protein-membrane interaction will be elaborated in detail. Furthermore, intrinsic relationships between the key factors and the 'Charge/Glycosyl' synergistic effect will be demonstrated by designed experiments, including different charge types, saccharide structures (stereoisomerism, epimerism, repeating units), surface density and distribution, etc.to influence the LDL recognition process. Based on these research, we hope to offer a theoretical basis for the development of novel LDL adsorbents for protein recognition and separation.

人体血液中低密度脂蛋白(LDL)水平过高会引发一系列心脑血管疾病，严重威胁人类健康。如何进一步师法天然细胞膜表面LDL受体的结构和功能，研制出简单易得、高选择性识别LDL的吸附分离材料是一项材料科学与生物医学、高分子化学等交叉渗透的前沿而富有挑战的课题。本课题以天然LDL吸附材料和细胞膜表面LDL受体所具有的"负电"与"糖单元"共性结构为启发，以其独特的LDL高效识别功能特性为依据，创新性地提出基于"荷电/糖基"多重协同作用增强识别LDL的新构思，通过组合点击化学和主客体相互作用等方法制备出高选择性识别LDL的聚合物分离膜材料，阐明膜表面与蛋白质间相互作用机理，并揭示荷电种类、糖基结构(alpha-/beta-异构、差向异构、单糖/寡糖)、荷电/糖基密度及其分布等与荷电/糖基多重协同效应增强识别LDL蛋白质之间的内在关系；为新型LDL蛋白识别吸附分离材料的研制提供理论依据。

人体血液中低密度脂蛋白（LDL）含量过高会引发心脑血管疾病，严重威胁人类健康。近年来，各种血液净化疗法被广泛应用于临床医学研究，其研发核心为低密度脂蛋白亲和吸附材料。本课题以天然LDL吸附材料和细胞膜表面LDL受体所具有的“负电”与“糖单元”共性结构为启发，以其独特的LDL高效识别功能特性为依据，提出构建基于“荷电/糖基”多重协同作用增强识别LDL的蛋白亲和聚合物分离膜及检测传感晶片表面，用于血液LDL亲和吸附分离及其生化检测。. 首先，优选荷负电和糖单元体系，采用圆二色谱和计算机理论计算，系统研究了硫酸盐和不同糖体系与LDL蛋白质在溶液中的相互作用；研究发现溶液中的游离葡萄糖、半乳糖和-环糊精多糖等糖分子体系与LDL之间存在明显的相互作用，并能引发LDL蛋白（主要是apoB-100）三维构象变化，发生α-Helix解螺旋现象，并且荷负电硫酸盐体系有助于增强糖单元与LDL之间相互作用。与此同时，通过分子自组装法分别构建了磺酸基/糖基、环糊精等模型表面，利用表面等离子体共振、石英晶天平等研究固-液体系LDL吸附动力学；研究发现，磺酸基/糖基、环糊精模型表面对LDL具有多重协同识别吸附作用，即除了被普遍认可的磺酸基与LDL间静电相互作用外，模型表面的糖基也参与了蛋白相互作用过程，表现为蛋白吸附过程中的“荷电/糖基”协同效应。. 基于上述液-液体系和固-液体系的“多重相互作用”，通过组合紫外光表面接枝、“巯-炔”点击反应和自沉积等表面改性方法，构建磺酸基化/糖基、多巴胺辅助沉积肝素和环糊精等多糖改性聚砜膜材料，采用酶联免疫法系统研究改性膜表面的蛋白吸附与脱吸附行为；研究发现荷负电/糖基改性聚砜膜对LDL具有选择性识别作用，实验结果表明在荷负电/糖基改性聚砜膜复杂形貌表面进一步验证了“多重相互作用”理论的适用性。. 本课题首创性提出的“多重相互作用”理论，有望为新型LDL亲和吸附分离材料和血液LDL生化检测传感器的研制提供理论依据和开辟新思路。