多肽自組裝機制及其在生物醫(yī)藥領域的應用

       自組裝多肽是一種肽分子或多種肽分子依靠分子間相互作用，自發(fā)地或觸發(fā)地在體系中結合連接形成的納米結構聚集體，其納米結構包括球形膠束、囊泡、線狀、帶狀、層狀、柱狀、管狀、球狀和網狀等結構。這種聚集體具備生物相容性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，表現出不同于單體多肽分子的特性和優(yōu)勢，因此其在藥物傳遞、組織工程、生物醫(yī)學檢測和工程疫苗等領域具有良好的應用前景。

       多肽自組裝機制

       多肽可以自發(fā)或者由特定條件觸發(fā)來實現自組裝，并進一步形成形態(tài)特定的結構。多肽主要借助氫鍵、親/疏水相互作用、靜電作用、π-π 堆積等非共價作用力進行自組裝。非共價鍵力的強度雖弱于共價鍵，但是當達到一定數量以及在這些非共價驅動力聯合作用下，分子依舊能形成穩(wěn)定的納米組裝結構。①親水/疏水相互作用。疏水相互作用是分子中的非極性部分因避開水相而彼此聚在一起的作用力，親水作用力和疏水作用力是兩親性肽自組裝的主要驅動力，它們在穩(wěn)定二、三級構象方面承擔著重要角色。類似于生物膜結構中的磷脂雙分子層，兩親肽的親水、疏水部分會自發(fā)地根據親疏水力靠近或遠離。通過控制這兩部分的結構，可以設計出不同功能的自組裝多肽分子以及不同形貌的聚集體。親水和疏水相互作用對自組裝的周期以及形態(tài)、結構具有調節(jié)作用。②氫鍵。氫鍵是由極性很強的X–H基上的氫原子與另一個電負性強的原子Y (如O、N、F 等)相互作用所產生的某種吸引力。氫鍵作用力具有方向性(即X與Y之間的角度接近 180°)和飽和性(即一般情況下X–H只能和一個Y 結合)，可以在分子間或分子內形成。氫鍵作用力是穩(wěn)定蛋白質等高級結構的主要推動力。③靜電作用。多肽分子中帶正電和負電的氨基酸殘基間通過靜電吸引與靜電排斥作用力影響多肽的自組裝行為。靜電作用不具有方向性，易受到離子強度和 pH 的干擾。④π-π堆積作用。π-π 堆積發(fā)生在含有芳香性結構氨基酸的自組裝多肽中，這種弱相互作用力存在于相對富電子和缺電子的兩個分子之間，使其能夠以面對面和邊對面的方式進行堆疊，并且該作用力具有取向性，將π-π 共軛雙鍵引入多肽能顯著影響分子周圍的環(huán)境，進而驅動多肽形成特殊的組裝形貌。

       自組裝多肽在生物醫(yī)藥領域的應用

       1、自組裝多肽在藥物遞送中的應用

       近年來，自組裝肽作為納米材料在藥物輸送方面取得了許多進展。自組裝多肽作為藥物載體具有較多優(yōu)勢，除了合成快速、可調控外，還可以通過提供與靶細胞受體結合的特定配體來改善細胞攝取，確保藥物在特定靶點的響應性釋放，不會對其他細胞產生毒 性作用，并最終從體內自由排出。游離形式藥物的臨床應用往往受到一些不利性質的限制，如水溶性低、生物分布差、降解率高。此外，一些藥物不能直接給藥或有誘導免疫反應的潛在風險。為了克服這些不良特性并提高治療效率，需要將藥物與合適的藥物載體結合起來。例如，多功能肽P51 被研究用于疏水性化療藥物吡柔比星的遞送，P51 肽是由特異性靶向的RGD序列、帶負電的氨基酸序列(酶響應性)、二硫鍵連接段(還原響應性)以及α-螺旋41 肽(酸響應性)組成。α-螺旋部分借助疏水和靜電驅動力進行自組裝，負載吡柔比星后形成穩(wěn)定的球形納米顆粒。酸、還原劑二硫蘇糖醇(dithiothreitol, DTT)和酶均可刺激自組裝納米顆粒釋放疏水藥物。特別是當 3 種觸發(fā)因素均存在時，藥物釋放效率能夠顯著提高。該自組裝體已被證實具有腫瘤靶向性和低毒 性，為自組裝肽在藥物遞送上的應用提供了重要參考價值。

       此外，水凝膠具有在多孔、膨脹的結構中吸收和保持水分的能力，由于其廣泛的物理性質和化學適應性，使其成為一種很好的藥物輸送系統(tǒng)。肽類水凝膠具有良好的生物相容性、親水性、易被加工等特點被廣泛應用于治療劑和承接給藥載體。它由寡肽分子通過物理交聯形成的納米纖維堆疊而成，具有以下優(yōu)點，首先基于外界因素制備響應性水凝膠可用于調控體外釋藥過程；其次使用多肽偶聯修飾基團的化學反應進程可促進藥物與水凝膠的絡合；其三，兩種帶有相反電荷的多肽共組裝形成的水凝膠在有效控制載藥量的同時還可以協同免疫器官抑瘤；其四，靶向性的輸送藥物可用于癌癥治療。雖然自組裝多肽作為藥物載體具有上述諸多優(yōu)勢，但是組裝的肽水凝膠的機械和流變性能較差，導致注射困難，從而限制了其進一步的應用。為此，有研究將正電荷多肽 PLL與自組裝二肽 Fmoc-FF 進行偶聯，兩者間的靜電相互作用使得纖維水凝膠能夠剪切變稀和自愈，從而形成具有適于注射的流變特性的水凝膠。

       2、自組裝多肽在組織工程中的應用

       組織工程方法由3個關鍵要素，支架、細胞和生長因子組成，其中支架是提供細胞仿生環(huán)境的關鍵。自組裝多肽支架因有良好的生物相容性、可調控的生物降解性，已用于神經、脊髓和骨組織工程中。在神經組織工程方面，支架材料能與神經細胞良好相容，誘導軸突的發(fā)生與延長，抑制瘢痕組織的形成。N-鈣粘蛋白由神經細胞表達，可控制神經網絡中軸突引導，突觸形成，突觸結構的調節(jié)以及星形膠質細胞與突觸的接觸等。在脊髓組織工程方面，支架可提供脊髓鄰近細胞生長的環(huán)境和空間，指引神經元軸突延伸，防止外界成分干擾和瘢痕形成，使新生組織接近于正常組織結構。脊髓損傷后血脊髓屏障的破壞會導致炎癥和神經膠質瘢痕形成，從而抑制軸突生長，并降低移植到損傷部位支架的有效性。在研究RADA 自組裝多肽納米纖維支架對大鼠脊髓損傷的修復，表明其可以減少脊髓損傷大鼠的炎癥和神經膠質瘢痕形成，并增加損傷移植部位的軸突密度，減小脊髓損傷區(qū)域的面積，證明載細胞自組裝多肽支架可用于脊髓損傷的修復。在骨組織再生方面，自組裝多肽對骨質疏松癥和軟骨缺損等骨組織疾病具有理想的治療效果。研究發(fā)現，將自組裝多肽水凝膠（SAPH）涂覆在聚己內酯（PCL）支架上，一方面提供了SAPH 納米纖維和微米纖維網絡，形成有利于骨和軟骨細胞生長的仿生ECM 微環(huán)境，另一方面 SAPH顯著改善了PCL 表面疏水性，有利于細胞黏附和 ECM 沉積，能實現了兔關節(jié)腔骨和軟骨缺損的同步修復。

       3、自組裝多肽在生物醫(yī)學檢測中的應用

       自組裝多肽能夠特異性識別病灶部位高表達的生物標志物，實現疾病的精確診斷和有效治療。通過原位和異位構建組合各種成像物，即放射 性同位素、熒光發(fā)色團等的自組裝多肽，已開發(fā)出多種高度特異性的自組裝多肽類探針，成為醫(yī)學檢測和成像的重要方法。如受綠色熒光蛋白發(fā)色團的啟發(fā)，有學者設計了一種基于酪氨酸(Y)的肽，即Fc-YYGCGPGRC，此肽自組裝成納米顆粒并通過分子間氫鍵穩(wěn)定，納米顆粒對pH 值敏感，當酪氨酸的酚基團脫質子時，可以發(fā)射強烈的綠色熒光。此外，該肽在與人類免疫缺陷病毒的GPGR 基序結合后，能夠有效穿透細胞膜屏障。由于其優(yōu)異的光穩(wěn)定性、pH 敏感性、生物相容性，可用于穩(wěn)定的細胞成像，有望成為生物醫(yī)學應用中的熒光納米材料。

       4、自組裝多肽在疫苗工程中的應用

       以自組裝納米材料作為載體，其提供的微環(huán)境有助于與抗原呈遞細胞（antigen presenting cells，APCs）相互作用，有助于預防疾病和開發(fā)免疫治療疫苗。多肽疫苗設計主要集中在利用抗原蛋白的特定修飾差異以提高選擇性免疫應答，提高免疫原性。Q11（Ac-QQKFQFQFEQQ-NH2）是一種在疫苗工程中常用的自組裝多肽，Q11 在鹽溶液中通過非共價鍵作用可以自組裝成β折疊的納米纖維結構。有學者研究了自組裝納米載體改善多肽抗原疫苗的免疫原性，將可識別細胞毒 性T淋巴細胞的HPV16 E744-62抗原肽通過共價鍵連接在Q11 氨基端，在鹽溶液中通過自組裝折疊形成高效呈遞抗原表位的納米纖維疫苗 E744-62-Q11，從而提高抗原肽疫苗的免疫原性。在小鼠皮下異位移植腫瘤細胞TC-1 模型， 分別接種E744-62-Q11 疫苗和Q11，結果顯示，E744-62-Q11 組小鼠腫瘤重量顯著低于Q11 組，且小鼠脾 臟淋巴細胞中E7特異性分泌干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）的T細胞水平更高，在腫瘤小鼠體內可以顯著誘導抗腫瘤細胞免疫應答。此外，E744-62-Q11 在小鼠體內具備良好的安全性，有望轉化為治療HPV 腫瘤的新型納米疫苗。

       參考資料

       [1]劉旭,尹彩云,陳海燕等.自組裝多肽在生物醫(yī)藥領域的研究進展[J].藥學與臨床研究,2022,30(06):523-528.

       [2]王越,丁秀仿,張泗達等.自組裝在多肽藥物中的應用[J].生物工程學報,2023,39(01):177-191.

       [3]于偉康,張珊珊,楊占一等.超分子多肽自組裝在生物醫(yī)學中的應用[J].生物工程學報,2021,37(07):2240-2255.

       作者簡介：小泥沙，食品科技工作者，現就職于國內某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品及功能性食品的開發(fā)與研究。