自組裝多肽是指在一定條件下，能通過(guò)π-π 堆積、靜電相互作用等分子間作用力，形成組裝體的多肽類(lèi)材料。自組裝多肽具有良好的生物相容性和可控性，能夠形成顆粒、纖維和凝膠等納米結構，發(fā)揮特定的形貌學(xué)功能，廣泛應用于生物醫學(xué)等領(lǐng)域。由于多肽的組裝特性及其自身的生物功能，以及為了滿(mǎn)足藥物遞送、疾病診療等需求，需要在多肽上進(jìn)行修飾，修飾后的組裝肽在組裝能力和生物醫學(xué)應用方面更具有優(yōu)勢。
自組裝多肽的類(lèi)型
RADA16-I是經(jīng)典的離子互補性多肽，其在水溶液中能自發(fā)地形成纖維水凝膠，已應用于生物醫學(xué)和臨床領(lǐng)域。離子互補性多肽由帶負電的氨基酸殘基和帶正電的氨基酸殘基交替排列，通過(guò)靜電相互作用、氫鍵、范德華力來(lái)啟動(dòng)分子自組裝。其親水區和疏水區交替排列，分成兩個(gè)有序的區域，疏水氨基酸殘基折疊屏蔽水分子，親水區具有規則有序的正負電荷相互吸引。分子間氫鍵的形成加速了肽的自組裝，離子鍵的相互嵌合使自組裝結構強度增加，不過(guò)，此類(lèi)肽最大的缺點(diǎn)是在低 pH 時(shí)，穩定性較差。為了彌補離子互補性多肽的缺點(diǎn)，人們開(kāi)始致力于改變疏水作用力進(jìn)一步研究親水氨基酸和疏水氨基酸的比例關(guān)系，表面活性劑類(lèi)多肽 (Surfactant-like peptides，SLP) 就此產(chǎn)生。SLP 通過(guò)模擬多肽聚合與表面活性劑分子的性質(zhì)，分為疏水區和親水區，親水頭部一般由1–2 個(gè)帶電的氨基酸殘基 (His、Asp、Glu) 組成，疏水尾部一般由 3–9個(gè)非極性氨基酸(Ala、Phe、Ile、Val) 組成。SLP可組裝成納米管、納米囊、納米纖維結構。近年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)不滿(mǎn)足于通過(guò)對天然氨基酸的改變來(lái)設計自組裝多肽，而是使用高度疏水的烷基鏈、脂質(zhì)基團以及糖類(lèi)等修飾多肽?；瘜W(xué)基團修飾多肽表現出二級結構增多從而使納米體更加穩定?；瘜W(xué)基團可以通過(guò)在肽鏈本身設計相應的功能區域發(fā)揮特定的作用。目前，關(guān)于疏水烷基鏈兩親性多肽自組裝的工作被廣泛報道。疏水作用力作為驅動(dòng)分子自組裝的核心力，通過(guò)在氨基端設計連接烷基碳鏈，可以使此類(lèi)肽的功能和性質(zhì)發(fā)生改變。
影響多肽自組裝的因素
多肽自組裝是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，氫鍵、疏水力、靜電引力等對小分子組裝成有序的納米結構起著(zhù)至關(guān)重要的作用。同樣地，環(huán)境因素的改變也會(huì )引起自組裝體形態(tài)和性質(zhì)上的變化。
①pH值。二肽和多肽的自組裝的重要核心驅動(dòng)力是分子之間形成氫鍵。但氫鍵的形成易受pH 的影響，改變溶液的pH會(huì )使肽鏈的C端和N端或一些化學(xué)基團出現正電化或負電化。這就意味著(zhù)肽鏈形成帶正負電荷的多肽，從而表現出不同的自組裝趨勢、納米結構和結構功能特點(diǎn)。pH值對于富含帶電的氨基酸肽序列(如Glu、Asp、Lys、His和Arg)至關(guān)重要，并對氫鍵的形成與多肽首尾基團的呈電化具有顯著(zhù)影響，因此通過(guò)控制pH可以合理地設計基于不同酸堿度的其有釋放藥物、緩釋等應用的自組裝多肽。
②肽濃度。濃度是寡肽的自組裝聚合的重要參數，濃度研究可以確定寡肽開(kāi)始聚集的臨界聚集濃度(Critical aggrcgation concentration，CAC)。寡肽在CAC下以單體分子形式存在，高于CAC時(shí)開(kāi)始聚集。肽濃度高手臨界膠束濃度(Critical micelle concentratioa，CMC)時(shí)，肽分子之間才發(fā)生締結作用。濃度的改變會(huì )導致氫鍵等非共價(jià)鍵力的含量發(fā)生改變，這也會(huì )引起肽分子之間電子云重排，進(jìn)而引起納米形貌的改變，此外，致密的纖維網(wǎng)絡(luò )表面可能與水等溶劑發(fā)生協(xié)同作用從而使納米結構更加穩定。
③離子濃度。離子濃度是影響肽分子堆積和蛋白質(zhì)性質(zhì)結構功能的重要因素，鹽離子的存在會(huì )使帶電荷的基團產(chǎn)生屏蔽作用，從而使分子之間的靜電作用減弱。電荷屏蔽作用還會(huì )引起分子間疏水鍵作用力的增強，使肽分子更容易聚合引起自組裝。離子還會(huì )與個(gè)別氨基酸序列特異性識別并作用，在極性氨基酸中構成鹽橋，從而通過(guò)分子間的物理交聯(lián)促進(jìn)自組裝結構生成。由于多種離子在體內具有調控細胞新陳代謝、維持血管內外離子平衡以及促進(jìn)骨質(zhì)發(fā)育等作用，基于離子濃度響應的自組裝多肽在醫學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應用潛能。
④溫度。溫度的升高會(huì )破壞體系的氫鍵，使自組裝體系的穩定性減弱，從而發(fā)生構象上的改變。從頭設計的肽分子 (KIGAKI)3-NH2 與一個(gè)中心四肽Thr-DPro-Pro-Gly 相連接，由于Pro 的存在，該肽偶聯(lián)物分子在 20–50 ℃水溶液中表現為無(wú)規卷曲的形式，而將體系溫度升高到60 ℃時(shí)，該偶聯(lián)物初步顯示為 β-折疊，繼續升高溫度至70 ℃，β-折疊結構顯著(zhù)增加并形成納米纖維進(jìn)而形成剛性水凝膠，溫度的升高提高了疏水基團的溶解度，影響了親疏水基團的平衡，這種行為可根據溫度的變化發(fā)生可逆性轉變。升高溫度后，多肽自身的氫鍵發(fā)生斷裂，二級結構發(fā)生改變，疏水作用力和π-π 堆積成為主要推動(dòng)分子自組裝的作用力，從而導致納米結構的轉變。當溫度降低時(shí)，氫鍵重新生成，二級結構恢復，自組裝多肽的納米形態(tài)隨之恢復。
⑤手性。自然界中的天然氨基酸都是 L 型的，而其對應異構體被設計出來(lái)顯現出更好的優(yōu)點(diǎn)和特性。手性氨基酸在控制多肽或蛋白質(zhì)的折疊與超分子組裝中起著(zhù)關(guān)鍵作用。研究表明肽的手性不同會(huì )導致分子在溶液中的自組裝趨向和分子結構的差異。用D-異構體取代 L 型氨基酸會(huì )導致形成組裝體的重要參數(兩親性)的變化。
自組裝多肽的修飾
自組裝多肽的功能化修飾位點(diǎn)主要包括主鏈氨基和羧基，以及側鏈的氨基、羧基、羥基和巰基等。修飾方式主要分為兩種：一是直接修飾，即功能分子與多肽直接共價(jià)偶聯(lián)，或是將活性基團活化以后將分子直接與多肽共價(jià)偶聯(lián)。二是間接修飾，即利用連接單元將功能分子與多肽連接，一些分子有較大的空間位阻，或者由于自身沒(méi)有可以高效與多肽進(jìn)行連接的活性基團，需要引入其它分子作為連接單元。
1、直接修飾。
直接修飾方法中的功能分子主要包括以下幾類(lèi)。
(1)藥物分子修飾。將藥物分子直接修飾在多肽上，實(shí)現藥物的精準遞送和疾病的治療。利用小分子藥物對病灶區域的識別、治療和其自身的親疏水等特性，將其與自組裝多肽材料共價(jià)偶連，能夠延長(cháng)藥物滯留，增強藥效，降低毒副作用。為了更方便地將藥物分子連在多肽上，需要將藥物分子的某些官能團進(jìn)行活化。如苯丁酸**(CRB)又稱(chēng)瘤可寧，是一種常用的抗癌藥物。CRB具有的正苯丁酸基，能夠通過(guò)標準固相合成法(SPPS)共價(jià)連接到多肽的N端，即使用苯并三氮唑-N，N，N'，N'-四甲基脲六氟磷酸鹽(HBTU)作為偶聯(lián)劑，將CRB的羧基活化后，與多肽游離的氨基端反應生成酰胺鍵。有學(xué)者設計了一種新的自組裝短肽CRB-YpYY，將 CRB 作為遞送藥物和封端基團，通過(guò)酰胺縮合共價(jià)結合到磷酸化短肽 YpYY的氨基端，替代常用的萘和芴類(lèi)封端基團。CRB-YpYY 被腫瘤區域過(guò)表達的堿性磷酸酶剪切，變?yōu)镃RB-YYY，原位自組裝形成凝膠。相比游離的CRB 分子，這種凝膠展現出更好的腫瘤抑制效果。
(2)探針?lè )肿有揎棥?/strong>利用自組裝多肽的AIR 效應，實(shí)現探針在病灶部位的高效富集，增強成像的信噪比。小分子探針存在容易代謝，信噪比較差等問(wèn)題。探針?lè )肿有揎椀淖越M裝多肽材料，能夠利用活體自組裝(in vivo assembly)策略，通過(guò)病灶部位的微環(huán)境促使多肽探針?lè )肿有纬杉{米組裝體。多肽組裝的AIR 效應可以減緩病灶區域探針?lè )肿拥拇x，延長(cháng)滯留時(shí)間，從而增強探針信號和信噪比。
(3)烷基鏈修飾。利用烷基鏈調節親疏水平衡，增強組裝能力。脂肪鏈是結構簡(jiǎn)單的疏水性單元，可以用于調控自組裝多肽的親疏水平衡，修飾后的多肽能形成更加可控的組裝體。脂肪鏈修飾非常簡(jiǎn)單方便，通常使用固相合成就能很方便地將脂肪酸偶聯(lián)到多肽上。同時(shí)，對多肽進(jìn)行類(lèi)脂質(zhì)修飾，能夠增強組裝體成顆粒能力，用于藥物遞送。
(4)聚合物修飾。聚合物位阻大，阻礙多肽組裝，但在特定的策略中可以利用聚合物的特性。聚乙二醇(PEG)是一種低毒、低免疫源性的化合物，是兩親性組裝分子的常用修飾單元，能夠增強被修飾分子親水端親水能力，減少材料遞送損失，延長(cháng)分子在體內循環(huán)時(shí)間，PEG-NHS能夠方便地通過(guò)固相合成偶聯(lián)到多肽上，得到 PEG 化多肽。
(5) 糖基修飾。糖在生物體內參與多種生理活動(dòng)，糖肽自組裝體能夠通過(guò)多價(jià)配位效應、酶剪切等方式參與生理活動(dòng)。，例如甘露糖可以靶向巨噬細胞，同時(shí)糖上的羥基大大提高了整個(gè)分子的親水性。所以通過(guò)化學(xué)修飾，將糖基偶聯(lián)到多肽上可以進(jìn)行多種應用。
(6)其他分子修飾。除了上述分子，其他小分子單元的引入也會(huì )對自組裝多肽產(chǎn)生很大影響。如堿性磷酸酶(ALP)具有脫磷酸作用，在多種癌細胞表面過(guò)表達，被廣泛用于控制兩親性肽的自組裝。磷酸分子基團體積小，但有極強的親水性，多肽中引入磷酸基團會(huì )導致分子整體親水性增加。含萘單元(Nap)可以作為多肽的封端基團，利用萘的 π-π 相互作用提升短肽的自組裝和成膠能力。2-萘乙酸能夠直接通過(guò)固相合成方便地偶聯(lián)到多肽上。
2、多肽間接修飾
為了實(shí)現某些生物功能或設計分子，需要在多肽上連接不同種類(lèi)的功能分子。但由于有些功能分子空間位阻較大，或者功能分子單元自身沒(méi)有能與多肽反應的官能團等因素，需要引入其他分子單元，一端與多肽連接，另一端與功能分子單元連接來(lái)達到目的。多肽間接修飾的方法眾多，包括炔基和疊氮基團修飾、酸酐修飾和聚乙二醇修飾。疊氮-炔基基團之間的Husigen環(huán)加成反應可以用于多肽的修飾。一些分子上存在羥基、氨基等能與羧基反應的基團時(shí)，可以選擇使用環(huán)狀酸酐作為連接單元對多肽進(jìn)行修飾。在一定條件下，羥基進(jìn)攻酸酐的羰基碳，發(fā)生開(kāi)環(huán)的親核取代反應生成酯基，另一端的羧基暴露出來(lái)，可以通過(guò)固相合成與多肽進(jìn)行連接。聚乙二醇(PEG)是一種親水性的聚合物，有著(zhù)良好的生物相容性，因此經(jīng)常被用于生物材料。短PEG鏈可以作為連接單元將功能分子與多肽進(jìn)行連接。
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參考資料
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[2]于偉康,張珊珊,楊占一等.超分子多肽自組裝在生物醫學(xué)中的應用[J].生物工程學(xué)報,2021,37(07):2240-2255.
作者簡(jiǎn)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?tīng)I養食品及功能性食品的開(kāi)發(fā)與研究
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