中科院过程所闫学海研究员团队：“肽机缘”—— 碰撞出的智能胶体

第一作者：邢蕊蕊

通讯作者：闫学海

通讯单位：中国科学院过程工程研究所，生化工程国家重点实验室

注：此综述是“胶体与界面化学前沿特刊”邀请稿，客座编辑：山东大学郝京诚教授。

引用信息

邢蕊蕊, 邹千里, 闫学海. 肽基超分子胶体. 物理化学学报, 2020, 36 (10), 1909048. 

doi: 10.3866/PKU.WHXB201909048

Xing, R. R.; Zou, Q. L.; Yan, X. H. Peptide-based Supramolecular Colloids. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (10), 1909048. 

doi: 10.3866/PKU.WHXB201909048

主要亮点

本文基于“分子间多重弱相互作用的调控”及“结构与功能的关系”两个基本科学问题，系统地综述了如何设计肽基元构筑超分子胶体，从分子层次分析了超分子组装的物理化学机制，总结了弱相互作用对胶体结构及功能的调控行为，并重点归纳了基于肽自组装的多种超分子胶体体系在仿生光合成(如光能捕获、电荷分离等)及肿瘤光治疗(光热治疗、光动力治疗等)方面的应用。

研究背景：意义、现状

肽基超分子胶体是基于肽分子间超分子作用，自发形成且具有有序分子排布及规整结构，兼具传统胶体及超分子特性的组装体系。利用超分子弱相互作用构筑功能性胶体，不仅是人们对生命组装进程深入理解的有效手段，也是实现优异的超分子材料的重要途径。肽分子具有组成明确、性能可调、生物安全性高及可降解等优势，是超分子化学、胶体与界面化学领域重要的组装基元。基于肽的超分子自组装，能够实现多尺度、多功能的生物胶体的构筑，被广泛应用于医药、催化、能源等领域。如何通过对肽序列的设计及分子间作用力的调控，实现对胶体结构和功能的精确控制，是近年来研究的重要课题之一。因此，从分子尺度研究和揭示超分子胶体的组装过程及物理化学机制，探究胶体结构与功能的关系，是实现超分子结构和功能化的重要内容。

核心内容

1.  超分子作用与肽基胶体结构

1.1  肽自组装

肽自组装的超分子胶体的构筑依靠于肽分子(如线性肽、两亲性肽、环肽、芳香肽、树突状肽等)间非共价键力的作用，这些弱相互作用力是驱动肽分子组装并维持胶体稳定的关键因素。肽自组装的超分子胶体的结构及功能的实现，主要依赖于超分子相互作用，而影响超分子作用的关键因素主要包括了组装环境的变化及组装基元自身的特征。

1.2  肽调控协同自组装

充分利用肽丰富的分子间作用位点，实现包含肽分子在内的二元或多元分子的协同组装，不仅为多种弱相互作用协同，构筑超分子胶体奠定坚实的理论基础，还能够进一步丰富肽自组装的超分子胶体的结构和功能。闫学海团队提出了“肽调控光敏分子协同自组装”的方法，即基于对肽分子的设计，通过对其分子间超分子相互作用的协同性调控，实现对肽与光敏分子组装过程中热力学与动力学的调控，进而实现对超分子胶体的结构及功能的有效控制，它是一种简单、精准且有效的策略，如图1所示。

图1  (a) FF-H₂TPPS 微球组装机理示意图；(b) 单个微球横截面扫描电镜图像，显示多孔形貌；(c) KK-H₂TPPS 纤维束组装机理示意图；(d) 纤维束的共聚焦显微镜照片，显示红光致发光。

2.  超分子作用与肽基胶体性质

2.1  组装模式的影响

芳香族肽是一类整合了芳香基团与疏水基团的组装基元，在多种分子间相互作用，特别是疏水作用、氢键作用、π–π堆积和范德华力等的驱动下，它们能够通过多尺度分层组装过程，自组装形成有序胶体结构。闫学海团队发展了一种Fmoc-FF 组装过程中的二级结构转变的电荷诱导策略(图2)。通过对肽分子C 末端所带电荷的调控，实现对分子末端静电作用的有效调控，进而实现了对其超分子组装模式的精准控制。通过对肽基元的超分子作用力的简单调控，实现组装体的二级结构由错误的折叠聚集向螺旋的转变，有助于了解阿尔兹海默症等神经性退行性疾病的发病机制，为理解超分子组织和生命活动中二级结构的形成和转变提供了新的视角。

图2  提出了以β-折叠和α-螺旋二级结构为主的纳米纤维自组装机理。

2.2  能量转化途径的影响

通过对其超分子作用力的精准调控，能够实现肽基胶体对光能的吸收及能量的可控转化。如图3所示，闫学海团队利用简单的阳离子二肽分子(H-Phe-Phe-NH₂·HCl，CDP) 及改性的氨基酸(Fmoc-L-Lys) 调控疏水性的光敏分子二氢卟吩e6 (Ce6) 进行超分子协同组装，实现了π–π堆积、静电作用及疏水作用协同下的超分子胶体的构筑，完成了光能向荧光及活性氧物种的高效转化。此外，研究者通过共价耦合实现了肽/卟啉复合分子(TPP-G-FF) 的合成，在π–π 作用及疏水作用力的协同下，TPP-G-FF 能够自组装形成分子排布紧密的光热纳米点。其中，强的π–π 堆积导致了分子荧光的完全淬灭，进而抑制了活性氧的生成，使得胶体纳米点展现出了高效的光热转换。

图3  (a) 基于两亲性肽或氨基酸构筑光动力肿瘤治疗纳米颗粒；(b) 纳米颗粒在细胞层次的内在化，其中红色表示光敏剂；(c) 肽-卟啉的共轭物(TPP-G-FF) 自组装构筑光热纳米点；(d) 随激光强度变化，纳米点在水溶液中的升温情况。

2.3  稳定性的影响

通过引入强的疏水作用，增强超分子胶体在多种环境下，特别是在生理环境中的稳定性，已被证实是一种有效的策略。通过引入金属离子，实现多种弱相互作用与金属配位作用的协同，构筑新型的肽自组装的超分子胶体，在引入功能(如成像等)的同时，可显著增强胶体的稳定性。如图4所示，闫学海团队报道了一种通过多组分配位自组装设计智能肽基超分子光动力金属纳米药物的策略。作者选用了两种具有金属配位能力的肽作为组装基元，包括两亲性氨基酸Fmoc-His (Fmoc-H) 及两亲性二肽Z-His-Phe (Z-HF)，用于与金属锌离子(Zn²⁺) 的配位组装，同时实现了血液循环的高稳定性和肿瘤微环境的“爆发式”药物释放(pH 和氧化还原环境下)。

图4  (a) Zn²⁺ 存在下，肽与光敏剂协同作用构建金属纳米药物；(b) 金属纳米药物的透射电镜图片；(c) 金属纳米药物对pH和GSH变化的超灵敏反应。

3.  肽基超分子胶体的应用

3.1  仿生光合成

肽分子能够通过分级的超分子自组织构筑具有复杂结构的生物功能体系。自然界中的光合成系统能高效的将太阳能转化为化学能，受此启发，闫学海团队利用结构简单的氨基酸/肽及卟啉等生物分子，通过超分子自组装机制，构筑了系列光功能超分子胶体，用于模拟光合成体系，实现仿生的分子排布及光物理化学过程。这种基于生物分子作用力协同和调控的方法，为仿生体系的设计和创建带来了新的启示。

3.2  肿瘤光治疗

基于小分子肽自组装的超分子胶体具有结构多样性及功能可调性等优势，这些光功能胶体包括了胶体颗粒、纤维、凝胶等。肽基胶体被广泛应用于组织工程、药物载体、生物模板、肿瘤治疗等生物学领域。光治疗是一种非侵袭性的、高靶向性的新型肿瘤治疗策略，主要依靠光功能胶体在肿瘤部位富集，在光的激发下实现光能向活性氧物种或热的定向转化，进而实现肿瘤光动力或光热消融的效果。

闫学海团队提出了“肽调控光敏剂自组装”构建超分子胶体的策略，以及“超分子光热效应”理念，选用了具有金属配位能力的生物小分子肽、内源性且具有近红外吸收的色素胆绿素及Mn²⁺ 作为组装基元，构筑了光热药物(ZBMn NPs，图5)。胶体光热药物在近红外区具有明显的光吸收，性质稳定且光热转化效率高。特别是，此胶体药物的组分均具有高的生物安全性，其在小鼠体内的半衰期约为22 h，72 h 后重要器官(心、肝、脾、肺、肾)的代谢率约达到100%)。在磁共振成像、光声成像的指导下，实现了对肿瘤的高效杀伤，并有效的抑制了肿瘤的复发。

图5  (a) ZBMn 纳米颗粒的扫描电子显微镜图；(b) 紫外吸收图谱；(c) 纳米颗粒在水及生理培养基内，37 °C 孵育 48 h 后的粒径变化曲线；(d) 激光照射下ZBMn 纳米颗粒的升降温循环曲线；(e) 纳米颗粒的体内分布曲线；(f) 纳米颗粒作为造影剂，荷瘤小鼠的光声成像(上)及磁共振成像(下)结果；(g) 观察期间内的小鼠肿瘤体积变化曲线；(h) 观察期间内的肿瘤图片。

结论与展望

目前肽基超分子胶体的研究已取得了一系列进展，然而基于胶体体系的超分子作用，实现对其智能响应性的调控的研究尚待加强，其在细胞层次及动物层次的应用研究仍需深化。在后续研究中，不仅要着重于对分子基元的设计，更要关注于基础理论与实际应用的结合，着重于解决超分子胶体应用过程中的关键性问题。如，实现一些具有特殊结构的功能胶体体系的构筑，研究其多维尺度上的分子堆积及聚集模式，发展系列新型光功能材料，用于仿生复杂的酶联反应、光化学作用、生命活动等。同时，还应拓展肽基超分子胶体的应用范围，如基于活性肽构筑系列抗菌材料、抗肿瘤药物，开发植入型肽基器件等。

☎作者介绍

 闫 学 海 

2008年于中国科学院化学所获得博士学位，之后在德国马普胶体与界面研究所先后从事博士后和洪堡学者研究工作。2013年回国加入中科院过程所，现为研究员，博士生导师。主要研究方向为生物分子组装和工程化研究，特别是肽自组装与生物医药应用。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201909048