“生物醫療分子越來越受到資本青睐，這充分證明多肽材料在醫療領域的巨大應用前景。在當前有限的資源條件下，我們更注重多肽有序結構在疾病治療與檢測方面的商用前景。目前，我們有一些獨到想法，也在積極申請發明專利保護。而此次論文成果，得到了領域專家高度認可，論文發表過程中的匿名審稿人稱該工作是領域内的突破性進展。”南開大學高分子化學研究所研究員餘志林表示。

圖 | 餘志林（來源：餘志林）

近日，他擔任通訊作者的新論文發表在 JACS 上。在該研究中，他提出“酶放大多肽組裝”的新概念，借助多肽組裝—酶表達之間的放大關系，讓正常酶水平下的胞内原位組裝過程得以實現，從而為疾病早期診斷和幹預提供新策略。

（來源：JACS）

多肽分子——生醫領域的“明星”分子

多肽通常指由三個或三個以上氨基酸、通過肽鍵連接而成的化合物。其中，我們所熟知的蛋白質，由 50 個以上的氨基酸組成的多肽。多肽結構，是人體中最必不可少的成分，更是人體大多數活性物質的存在形式。

例如，人體内的細胞外基質組織，主要由膠原蛋白形成。通過人工合成得到的多肽分子，具有與蛋白質類似的結構單元，借此衍生出天然的生物安全性、穩定的分子間相互作用以及廣泛的生物活性，因此在開發生物醫用功能材料領域具有得天獨厚的優勢，近年來也成為生物材料研究的熱門領域之一。

目前，多肽分子已成為開發人工器官與組織工程材料、腫瘤納米診療試劑、廣譜抗菌材料的“明星”分子之一。餘志林團隊開發的生物醫用功能材料，主要針對疾病診療過程中面臨的瓶頸問題。

以疾病檢測與治療為例：一方面，隻有在病竈部位的活細胞内，選擇性地發生酶催化組裝，才能有效避免多肽有序結構對正常細胞造成生理毒性。

另一方面，要想讓多肽發生酶催化組裝，活細胞内酶水平必須有一定保證，否則酶催化過程很低效，難以在短時間内形成多肽有序結構。如果多肽長時間不能形成組裝結構，則容易發生酶降解過程，從而被代謝清除。

因此，此前活細胞酶催化組裝體系的設計準則，是以細胞過表達的蛋白酶為刺激源，進而催化多肽有序組裝。這導緻的後果是，當以普通水平的酶為刺激源、去調控細胞内多肽組裝時，便會遭遇挑戰。

（來源：JACS）

通過酶催化組裝多肽結構，實現疾病檢測與治療

在該團隊的最新報道中，餘志林通過建立多肽組裝與酶表達的循環放大過程，得以在細胞内、以普通水平的酶為刺激源，去構築生物活性多肽材料。

他表示，這是一個循環放大的過程，主要體現在兩個層面：

• 其一，多肽組裝形成的有序結構，會激活酶表達上調的信号通路，從而促進酶表達；
• 其二，酶水平的上調會反過來催化形成多肽組裝基元，這有利于多肽組裝過程的發生。

（來源：JACS）

而該策略的關鍵技術難題，在于如何建立多肽組裝與酶表達的放大關系。好在團隊成員具備不同研究背景，包括化學、材料、生物與醫學等，這種交叉互補性為設計具有放大關系的組裝體系奠定了基礎。

比如，團隊成員的生物背景知識，可指導課題組對多肽分子進行功能化，進而保證多肽有序結構可以調控酶表達信号通路；而團隊成員在化學合成上的研究功底，讓他們得以成功制備多肽分子。

事實上，此次多肽分子的合成，與通常的多肽固相合成并不一樣，為此餘志林克服了一些合成上的困難，才順利得到本次多肽分子。同時，為緩解多肽組裝體對普通組織的生物毒性，此次設計的多肽組裝體系，對病竈部位具有被動靶向性質。

4 月 7 日，相關論文以《用于增強炎症治療的巨噬細胞中肽的自放大組裝》（Self-Amplifying Assembly of Peptides in Macrophages for Enhanced Inflammatory Treatment）為題，發表在 JACS 上。

圖 | 相關論文（來源：JACS）

在該組裝新機制的醫用上，他們選擇了地塞米松，這是一種傳統型抗炎藥物，但是在細胞内容易引起生物活性氧水平提高，從而抑制其抗炎效果。結合課題組的組裝新機制特點，他們考察了所構築多肽結構在地塞米松抗炎方面的增強作用。

之所以做出這樣的選擇，主要由涉及到的蛋白酶決定。在此次構建的酶放大組裝新機制中，其使用一個還原酶作為模型，這個酶在維持細胞氧化還原平衡、降低生物活性氧水平中起着重要作用。

（來源：JACS）

餘志林預計，這種酶放大組裝機制具有巨大應用前景，因此完全可以根據所涉及到的酶，來開發不同的醫用材料。蛋白酶的種類繁多，在很多生命過程中起着關鍵作用，因此該新機制的應用，也不會局限于抗炎治療。

在細胞内自分類組裝機制方面取得突破性進展

據介紹，該團隊的一個重要研究方向是建立細胞内多肽組裝新機制，這種機制可為原位制備生物活性材料提供關鍵技術。在建立酶放大組裝機制的同時，他們也在細胞内自分類組裝機制方面取得了進展。

5 月 19 日，相關論文以《細胞内原位自分類多肽組裝及其雙重細胞器靶向功能》（In Situ Self-Sorting Peptide Assemblies in Living Cells for Simultaneous Organelle-Targeting）為題，發表在 JACS 上。

圖 | 相關論文（來源：JACS）

自分類現象，是指不同生物分子通過選擇性相互作用，形成不同生命組織的過程，是在生命體系中、構建複雜有序生物結構的最常見方式。例如，在穩定的細胞結構中，細胞骨架中的微管和微絲，分别由機動蛋白和微管蛋白、通過自我識别而聚集形成。

在細胞内建立人工的多肽自分類體系，是一項非常具有挑戰的工作，這主要由于多肽分子的結構類似性造成。前面講過，所有多肽均都是由氨基酸通過肽鍵連接而成的分子，而肽鍵基團會讓不同的多肽分子，趨向于在一起共組裝。

（來源：JACS）

餘志林表示：“在多肽組裝的設計上，我們團隊具有豐富的經驗。為了突破多肽分子共組裝的傾向性，我們決定采用堆積模式差異性，去驅動多肽分子的自分類組裝。”

堆積模式，就想像堆積木一樣，相同堆積模式的分子很容易進行選擇性組裝。在前期工作的基礎上，課題組設計出具有不同堆積模式的兩個多肽分子，其中一個是類磷脂分子，另一個啞鈴型分子。

類磷脂分子，是指具有類似細胞膜中磷脂分子結構、含有兩條疏水鍊的多肽分子。該團隊的前期工作證明，這類分子容易發生疏水片段的穿插，從而讓多肽分子能以穿插堆積的模式進行組裝。

啞鈴型分子，則指中間疏水、兩端親水的分子，它很容易發生平行或反平行的堆積組裝。在體系能量最小化原則性下，當它們混合在一起時，則傾向于發生自分類組裝過程。

（來源：JACS）

另據悉，胞内多肽組裝一般需要設計具有刺激響應的多肽組裝前體分子，通過對細胞内刺激源的響應，促發細胞内多肽組裝形成納米結構，為此該團隊選擇 GSH（glutathione，r-glutamyl cysteingl glycine）作為刺激源。

GSH 分子的中文全稱是谷胱甘肽，是一個非常常見的生物還原劑，可引發諸多還原反應。針對此次設計的兩個多肽分子，課題組分别通過引入具有 GSH 還原響應的連接鍊和硒代亞砜結構，借此增強多肽分子的親水性，抑制多肽分子在 GSH 還原前的組裝行為。

在 GSH 還原響應下，多肽分子的親水鍊段被切割、親水性的硒代亞砜基團則被還原成疏水性的硒醚基團，從而形成具有組裝能力的多肽分子，進而引發多肽組裝過程。其中，兩個還原多肽分子，分别按照穿插堆積、以及平行堆積模式，形成獨立的納米纖維和納米帶結構。

（來源：JACS）

實現靶向用藥、并促進導緻癌細胞死亡

餘志林表示，此次所建立的原位自分類組裝體系，能同時在細胞内構築兩種獨立的多肽有序結構，在多肽功能化基礎上，可實現不同生物結構的同時靶向作用，從而允許人為地協同調控不同生命過程，這是普通多肽原位組裝結構辦不到的事情，也是此次新機制在構築生物醫用功能材料上的意義所在。

研究中，他們在兩種多肽結構中引入具有不同細胞器靶向功能的基團，一個是靶向高爾基體，一個是靶向内質網，這兩個細胞器是蛋白質合成的主要場所。

由于多肽有序結構的靶向富集作用，緻使細胞器功能障礙，從而殺死癌細胞。因此這一過程、與前面開發的酶放大組裝體系，在藥物遞送上的作用略有不同。

（來源：JACS）

藥物遞送，一般是指對傳統化療藥物的有效遞送，借助多肽組裝體系、來提高藥物的臨床治療效果。原位自分類體系，則不涉及到化療藥物，主要通過原位構築的多肽組裝體，對生物結構産生物理幹擾、破壞生理過程，達到誘導細胞凋亡的目的。

當然，原位自分類體系也可被用來作藥物遞送體系，目前仍存在技術上的細節問題，團隊成員正在加快解決，以推動該機制在藥物遞送領域的應用。

盡管餘志林的研究領域還處于基礎應用研究範疇，但他說：“我們的研究策略始終定位在前沿創新上，基本不做跟風式的材料設計工作，所報道的材料都有我們團隊自己的标簽。我們的材料創新性很強，但由于團隊規模目前還比較小，基本上沒有精力兼顧材料的基礎研究與商業推廣，不過終極目标仍是讓材料走向實際應用。”

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參考：

1、Song, Y., Li, M., Song, N., Liu, X., Wu, G., Zhou, H., ... & Yu, Z. (2022). Self-Amplifying Assembly of Peptides in Macrophages for Enhanced Inflammatory Treatment. Journal of the American Chemical Society, 144(15), 6907-6917.

2、Liu, X., Li, M., Liu, J., Song, Y., Hu, B., Wu, C., ... & Yu, Z. (2022). In Situ Self-Sorting Peptide Assemblies in Living Cells for Simultaneous Organelle-Targeting. Journal of the American Chemical Society, 144(21), 9312-9323.

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