南开大学杨志谋团队 Adv. Mater.综述: 多肽的酶促自组装(EISA)和凝胶化

【背景介绍】

众所周知，自组装是生物系统中普遍存在的一种现象，其主要是通过非共价相互作用使无序的单个分子自发形成有序的超分子结构的过程。因此，自组装可以使超分子纳米材料具有多种功能，是一种制造复杂生物材料的通用平台，在生物医学和生物材料领域有很大的应用价值。超分子材料的性质与其分子构筑单元和制备方法密切相关。在众多的构筑单元中，短肽由于具有良好的生物活性和生物相容性而具备很强的发展潜力短肽本身具有低稳定性和在体内易被酶降解的缺点，阻碍了其进一步转化为药物或诊断工具。短肽自组装成的超分子材料，能够延长其体内半衰期和提高其生物活性。因此，自组装多肽不仅在药物递送材料、免疫佐剂和组织工程支架等领域有巨大的应用前景，同时，对其组装行为的研究有助于我们理解生命系统中的天然自组装结构或疾病相关的蛋白异常组装行为。

目前已经有许多策略来触发肽的自组装和形成超分子材料，例如温度变化、pH调节、离子强度变化等等，但是大多数策略只能在离体缓冲溶液中使用，与体内环境不同，阻碍了其在生物医学领域的应用。最近，酶促自组装（EISA）策略成为在体内环境中进行原位自组装的有效方法。目前EISA策略已被广泛应用于癌细胞抑制、组织工程以及药物输送等领域。此外，自组装的动力学和热力学途径对于自组装肽的形貌和功能是至关重要的。酶催化在动力学上是可控的，它能够提供更精确且可控的构建多肽类超分子材料的方法。

【成果简介】

近日，南开大学的杨志谋教授（通讯作者）团队报道了关于酶促自组装（EISA）在肽制备具有生物功能的超分子纳米材料和水凝胶方面的应用。本文中作者重点关注EISA的独特性质，以制备其他常规方法无法获得的超分子材料。首先，作者讨论了用于活细胞中成像或治疗的多肽原位EISA。接着，作者探讨了在由EISA形成的超分子材料的性质中前体的重要性。同时，作者还介绍了通过EISA使多肽可控折叠和自组装的策略。最后，作者强调通过与其它方法的结合，EISA可以以更精确的模式和时空控制制备超分子纳米材料。本文着重强调了EISA对多肽自组装的重要性，有助于进一步推动基于多肽的材料的临床转化。该综述以题为“Enzyme-Instructed Self-Assembly (EISA) and Hydrogelation of Peptides”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

1、EISA原位形成超分子材料

在生理条件下，酶可以有效地催化形成和转化许多生物学上重要的分子。因此，利用酶促进分子自组装是一种有效且温和的制备超分子材料的方法。此外，酶的表达水平与疾病也是密切相关。由于疾病部位如肿瘤中某些酶的过量表达，使得EISA可能发生在疾病部位或异常细胞内。所以，通过EISA原位形成超分子纳米材料可以用于疾病的诊断和治疗。

1.1、癌细胞中磷酸酶原位形成荧光纳米纤维用于成像

图一、利用肿瘤中过表达的磷酸酶原位形成纳米纤维和水凝胶
A、通过磷酸酶催化的去磷酸化形成的前体及其相应的荧光水凝胶化合物的化学结构；

B、在细胞内成像酶触发的超分子自组装的成像原理；

C、荧光共聚焦显微镜图像；

D、通过在PBS中混合100 μL每种稀释的细胞分数和化合物1，每种样品的光学图像。

1.2、基质金属蛋白酶（MMP）原位形成纳米纤维抑制癌细胞

图二、对肿瘤中过量表达的基质金属蛋白酶-7 (MMP -7)的利用
A、MMP-7催化的自组装和前体（ER-C16）及其相应的凝胶剂（G-C16）的化学结构；

B-E、用ER-C16（B, C）或G-C16（D, E）孵育18 h后，对HeLa细胞（B, D）和MvE细胞（C, E）的活/死率测定。

1.3、在线粒体中原位形成纳米纤维以抑制癌细胞

图三、接有抑制剂的靶向分子用于线粒体EISA
A、前体（L-1P和D-1P）及其相应的成胶分子（L-1和D-1）的化学结构，以及用于靶向线粒体和诱导癌细胞死亡的EISA机理；

B、用L-1P或D-1P（50×10^-6 M）处理4 h的Saos2细胞的共聚焦激光扫描显微镜图像，用Mito-定位染料染色。

2、前体参与EISA

EISA是一种比传统方法更复杂的分子自组装触发方法。其成胶前体可能在超分子纳米材料的形成中发挥重要作用。在EISA过程中，前体可以与生成的分子协同组装，从而稳定并促进纳米结构的形成。通过优化EISA过程的条件，包括酶浓度和温度变化以及不同前体的使用，可以形成不同的超分子纳米材料。例如，当使用磷酸化的前体和低浓度的酶时，疏水性肽只能通过EISA形成水凝胶。

2.1、利用EISA对疏水性肽进行凝胶化

图四、生物环境中疏水化合物形成的超分子纳米材料
A、前体4及其相应的成胶分子5的化学结构和前体的示意图；

B、4 的 PBS缓冲液（pH 8.0）溶液；

C、在PBS缓冲液（pH 8.0）中对5超声处理后；

D、通过向4的溶液中加入磷酸酶形成的悬浮液；

E、通过将磷酸酶加入到4的溶液中形成水凝胶I；

F、通过向4的溶液中加入磷酸酶形成的水凝胶II；

G, H、在pH为0和9.0的水溶液中的水凝胶II。

2.2、通过前体的预组装缩小超分子组装体的多样性

图五、具有不同磷酸化位点的前体的EISA过程
A、通过磷酸酶从pY₁、pY₂和pY₃转化的前体pY₁、pY₂、pY₃和Nap-YYY的化学结构；

B、pY₁、pY₂和pY₃溶液的CD光谱；

C、pY₁、pY₂和pY₃溶液的激光照射图像（有光路说明有自组装体形成）；

D、三种前体的不同自组装行为的示意图。

2.3、酶控制肽组装的构象

图六、三种不同磷酸化位点的发夹形成肽的前体
A、PP1、PP2和PP3的化学结构和发夹肽的EISA过程的示意图；

B、加入LPP后PP1的时间依赖性CD光谱；

C、没有添加LPP的PP2的CD光谱；

D、不添加LPP的PP3的CD光谱。

3、通过EISA控制多肽折叠和组装

众所周知，多肽的构象对纳米材料的形态和生物活性具有重要的影响。然而，目前控制多肽的折叠仍然具有挑战性。尽管多肽超分子纳米材料的形态具有多样性，但其功能却难以优化。利用EISA从前体中产生自组装多肽，特别是在低温条件下的前体多肽的构象更加均匀，因此产生的超分子纳米材料能在更高的能量水平上被动力学捕获，从而产生具有最佳生物活性的更有序的纳米材料。同一多肽段在不同温度下通过改变自组装途径，例如从加热、冷却到EISA，由于多肽段的构象不同，可能会自组装成具有不同形貌的纳米材料。因此，这是一种通过优化多肽的构象和超分子纳米材料的理化性质而得到预期生物活性材料的简单而有效的策略。

3.1、通过EISA形成α-螺旋

图七、EISA在辅助肽折叠和促进纳米药物的形成的作用
A、6和7的化学结构以及通过加热-冷却过程形成的6的悬浮液和由磷酸酶在4 ℃催化的超分子水凝胶7的光学图像；

B、CD光谱显示通过EISA在4 ℃形成的纳米纤维中肽的α-螺旋构象和通过加热-冷却过程形成的纳米颗粒中肽的β-折叠构象；

C、CRB、纳米纤维和纳米颗粒对不同癌细胞的IC₅₀值；

D、CRB、纳米纤维和针对4T1肿瘤模型的纳米颗粒的体内抗癌效率。

3.2、EISA对肽折叠的动力学控制

图八、EISA对肽折叠的动力学的影响
A、前体8和结构单元9的化学结构以及肽在不同温度下的分子自组装的模式；

B、在4 ℃下形成的水凝胶及其TEM图像；

C、在37 ℃下形成的澄清溶液及其TEM图像；

D、在4 ℃下形成的纳米纤维和37 ℃下形成的纳米颗粒的CD光谱；

E、在不同时间点对纳米纤维和纳米颗粒的细胞摄取。

4、EISA与其他方法的结合

虽然诸如肿瘤等疾病部位的某些酶的表达水平较高，但这些酶在正常组织或正常细胞中也有一定的表达水平。因此，在疾病部位选择性形成超分子纳米药物的窗口范围非常狭窄。通过两种酶或其他方法与EISA结合，可以在病灶部位形成更有选择性、更精确的超分子材料。

4.1、细胞环境分化的分子自组装

图九、细胞环境分化选择性形成不同的纳米药物
A、10的化学结构和细胞外环境中EISA的示意图和细胞内GSH控制的缩合；

B、水凝胶11和水凝胶中的纳米纤维；

C、水凝胶11-D和水凝胶中的纳米纤维。

4.2、肝癌细胞中的串联分子自组装

图十、串联分子自组装策略对肝癌细胞的作用效果
A、前体12和相应的结构单元13和14的化学结构以及串联自组装的示意图；

B, C、分别与12（200×10^-3 M）孵育0.5和2 h 的HepG2细胞的共聚焦激光扫描显微镜重合图像（蓝色荧光：细胞核；黄色荧光：NBD肽）；

D、化合物12, 13, 14和15被癌症和正常肝细胞之间的细胞摄取比率；

E、化合物12, 13, 14和15对癌症和正常肝细胞之间的细胞活力比率。

5、总结

综上所述，在本文中作者着重强调了EISA在制备基于肽的纳米材料和水凝胶方面的独特优势及其潜在的生物医学应用价值。对比加热冷却、超声、pH值等传统制备肽基超分子纳米材料的方法，EISA具有良好的应用前景，特别是某些材料只能通过EISA来提高性能。虽然现在已经证明了EISA在制备超分子纳米材料中的重要性，但是目前在该领域仍旧存在许多挑战。EISA原位制备纳米材料基本都只是在癌细胞上进行的，还需要通过在其他疾病部位中具有升高的表达水平的酶的EISA来开发这些疾病的诊断或治疗。由两种酶构建或控制的超分子纳米材料对靶细胞和器官具有更高的选择性，因此需要理解酶辅助肽折叠和自组装的机制以及制备具有所需特性的纳米材料的基本原理。目前已经有许多其他的方法可以诱导多肽的自组装，将它们与EISA相结合可以在更可控的模式下形成纳米材料。然而，目前大多数研究都是在体外进行的，因此EISA在体内的应用研究还需要加强。总之，EISA是一种独特的多肽自组装控制策略，由它制备形成纳米材料具有广阔的应用前景。

文献链接：Enzyme-Instructed Self-Assembly (EISA) and Hydrogelation of Peptides（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201805798）

本文由CQR编译。

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