Nano Res.│首都医科大学谢楠课题组和中科院理化所吴骊珠院士团队：光化学快速合成功能多肽纳米胶球用于近红外及磁共振成像

背景介绍

多肽作为自然界生命体系中最为重要的构筑基元之一，能够参与生物分子的自组装过程，在蛋白水平上构建高级结构和三维构象。得益于序列编码和常规合成的便利性，合成多肽可以广泛模拟生物活性片段，面向医学成像、药物递送和组织工程等领域应用。一方面，氢键、π-π堆积、亲疏水相互作用、库仑力等非共价作用协同驱动多肽序列形成球、带、管、片等复杂而多彩的组装体系；另一方面，以二硫键或双酪氨酸交联为代表的共价作用能够在空间上将线性多肽铆接为三维的纠缠网络结构，并锁定层级构象，参与一系列蛋白翻译后修饰过程。

光化学反应作为一种共价合成的特色工具，可以通过入射光远程激发光活性位点，作用于小分子、高分子、甚至片段结构，衍生构建出多种多样的功能材料。多肽中的半胱氨酸和酪氨酸残基便是这样的光活性位点，前者在近紫外光照射下生成二硫键，使得双亲肽序列中离散的巯基能够通过自由基偶联反应，交联形成凝胶网络；而后者在可见光照射下经由临近酪氨酸自由基偶联，通过共价铆接合成三维结构，为构建生物功能纳米材料提供一条便捷途径。

成果简介

本工作借助光化学的研究手段，将非共价和共价作用相结合，克服多肽组装结构的脆弱性，实现了全肽纳米胶球的快速光化学合成，并应用于肿瘤的近红外及磁共振成像。利用标准化的固相多肽合成技术，设计合成了一系列含有天冬氨酸D和氨基己酸X交替结构的双端二酪氨酸序列肽YY(XD)_xXYY (x = 0 ~ 5)。由于含有双端二酪氨酸光活性位点，多肽前体能够在可见光照射下，通过共价铆接形成三维结构，实现从线性初级结构向球形高级结构的转化；通过调节可交联前体、光敏剂、氧化剂水溶液的组合配比，多肽纳米胶球在10分钟内即可快速合成；通过调节前体浓度、反应pH值、光照时间、光照强度等参数，可以调控多肽纳米胶球的亲疏水特性、粒径大小、组装结构和微观形貌；通过调节间隔体DX单元的交替数目，可以调控多肽纳米胶球的空间占位、双亲特性、水溶性、电荷分布和包载特性等。基于全肽单元结构的纳米胶球体系生物相容性好，进一步通过共组装光交联策略，还可以将离子型的罗丹明800染料分子和Gd³⁺金属阳离子包载到纳米胶球中，构筑功能多肽的纳米探针，并应用于肿瘤的近红外荧光成像和磁共振成像。利用多肽序列的从头设计，这种光化学合成法在多肽线性初级结构和层叠高级结构之间初步建立起构效联系，为发展新型生物功能体系提供了独特的解决方案。

图1（a）从头设计的双端二酪氨酸序列肽可交联前体，（b）共组装光交联策略制备多肽纳米探针，（c）多肽纳米探针结构表征及小鼠肿瘤的近红外和磁共振成像。

作者简介

谢楠，首都医科大学副教授，硕士生导师，主要从事功能多肽的设计、合成及应用研究，目前着力于借助光化学方法，面向疾病诊疗和医学成像领域构筑全肽功能组装体系。作为课题负责人承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市教委自然科学基金等多项课题。近年来在Biomacromolecules、Macromolecules、ACS Appl. Nano Mater.、Chem. Commun.、Polym. Chem.、Matter、J. Mater. Chem.等学术期刊发表论文30余篇。

吴骊珠，中科院理化所研究员，中科院院士。长期致力于光化学研究，涉及太阳能光化学转换、光化学合成与技术、超分子体系中重要的光物理和光化学过程。国家自然科学基金杰出青年基金获得者，获国家自然科学二等奖、中国青年科技奖、中国青年女科学家奖、中国化学会-物理有机化学奖、中国化学会-赢创化学创新奖，国家万人计划百千万工程领军人才。

文章信息

J. Zhao, C. Li, X.-W. Gao, et al. Quick photofabrication of functional nanospheres from de novo designed peptides for NIR fluorescence and MR imaging. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4826-0.

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