南开团队提出“酶放大多肽组装”和“原位自分类组装”概念，为疾病早期诊断和有效治疗提供...
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麻省理工科技评论-南开团队提出“酶放大多肽组装”和“原位自分类组装”概念，为疾病早期诊断和有效治疗提供新策略
“生物医疗分子越来越受到资本青睐，这充分证明多肽材料在医疗领域的巨大应用前景。在当前有限的资源条件下，我们更注重多肽有序结构在疾病治疗与检测方面的商用前景。目前，我们有一些独到想法，也在积极申请发明专利保护。而此次论文成果，得到了领域专家高度认可，论文发表过程中的匿名审稿人称该工作是领域内的突破性进展。”南开大学高分子化学研究所研究员余志林表示。
近日，他担任通讯作者的新论文发表在 JACS 上。在该研究中，他提出“酶放大多肽组装”的新概念，借助多肽组装—酶表达之间的放大关系，让正常酶水平下的胞内原位组装过程得以实现，从而为疾病早期诊断和干预提供新策略。
多肽分子——生医领域的“明星”分子
多肽通常指由三个或三个以上氨基酸、通过肽键连接而成的化合物。其中，我们所熟知的蛋白质，由 50 个以上的氨基酸组成的多肽。多肽结构，是人体中最必不可少的成分，更是人体大多数活性物质的存在形式。
例如，人体内的细胞外基质组织，主要由胶原蛋白形成。通过人工合成得到的多肽分子，具有与蛋白质类似的结构单元，借此衍生出天然的生物安全性、稳定的分子间相互作用以及广泛的生物活性，因此在开发生物医用功能材料领域具有得天独厚的优势，近年来也成为生物材料研究的热门领域之一。
目前，多肽分子已成为开发人工器官与组织工程材料、肿瘤纳米诊疗试剂、广谱抗菌材料的“明星”分子之一。余志林团队开发的生物医用功能材料，主要针对疾病诊疗过程中面临的瓶颈问题。
以疾病检测与治疗为例：一方面，只有在病灶部位的活细胞内，选择性地发生酶催化组装，才能有效避免多肽有序结构对正常细胞造成生理毒性。
另一方面，要想让多肽发生酶催化组装，活细胞内酶水平必须有一定保证，否则酶催化过程很低效，难以在短时间内形成多肽有序结构。如果多肽长时间不能形成组装结构，则容易发生酶降解过程，从而被代谢清除。
因此，此前活细胞酶催化组装体系的设计准则，是以细胞过表达的蛋白酶为刺激源，进而催化多肽有序组装。这导致的后果是，当以普通水平的酶为刺激源、去调控细胞内多肽组装时，便会遭遇挑战。
通过酶催化组装多肽结构，实现疾病检测与治疗
在该团队的最新报道中，余志林通过建立多肽组装与酶表达的循环放大过程，得以在细胞内、以普通水平的酶为刺激源，去构筑生物活性多肽材料。
他表示，这是一个循环放大的过程，主要体现在两个层面：
- 其一，多肽组装形成的有序结构，会激活酶表达上调的信号通路，从而促进酶表达；
- 其二，酶水平的上调会反过来催化形成多肽组装基元，这有利于多肽组装过程的发生。
而该策略的关键技术难题，在于如何建立多肽组装与酶表达的放大关系。好在团队成员具备不同研究背景，包括化学、材料、生物与医学等，这种交叉互补性为设计具有放大关系的组装体系奠定了基础。
比如，团队成员的生物背景知识，可指导课题组对多肽分子进行功能化，进而保证多肽有序结构可以调控酶表达信号通路；而团队成员在化学合成上的研究功底，让他们得以成功制备多肽分子。
事实上，此次多肽分子的合成，与通常的多肽固相合成并不一样，为此余志林克服了一些合成上的困难，才顺利得到本次多肽分子。同时，为缓解多肽组装体对普通组织的生物毒性，此次设计的多肽组装体系，对病灶部位具有被动靶向性质。
4 月 7 日，相关论文以《用于增强炎症治疗的巨噬细胞中肽的自放大组装》（Self-Amplifying Assembly of Peptides in Macrophages for Enhanced Inflammatory Treatment）为题，发表在 JACS 上。
在该组装新机制的医用上，他们选择了地塞米松，这是一种传统型抗炎药物，但是在细胞内容易引起生物活性氧水平提高，从而抑制其抗炎效果。结合课题组的组装新机制特点，他们考察了所构筑多肽结构在地塞米松抗炎方面的增强作用。
之所以做出这样的选择，主要由涉及到的蛋白酶决定。在此次构建的酶放大组装新机制中，其使用一个还原酶作为模型，这个酶在维持细胞氧化还原平衡、降低生物活性氧水平中起着重要作用。
余志林预计，这种酶放大组装机制具有巨大应用前景，因此完全可以根据所涉及到的酶，来开发不同的医用材料。蛋白酶的种类繁多，在很多生命过程中起着关键作用，因此该新机制的应用，也不会局限于抗炎治疗。
在细胞内自分类组装机制方面取得突破性进展
据介绍，该团队的一个重要研究方向是建立细胞内多肽组装新机制，这种机制可为原位制备生物活性材料提供关键技术。在建立酶放大组装机制的同时，他们也在细胞内自分类组装机制方面取得了进展。
5 月 19 日，相关论文以《细胞内原位自分类多肽组装及其双重细胞器靶向功能》（In Situ Self-Sorting Peptide Assemblies in Living Cells for Simultaneous Organelle-Targeting）为题，发表在 JACS 上。
自分类现象，是指不同生物分子通过选择性相互作用，形成不同生命组织的过程，是在生命体系中、构建复杂有序生物结构的最常见方式。例如，在稳定的细胞结构中，细胞骨架中的微管和微丝，分别由机动蛋白和微管蛋白、通过自我识别而聚集形成。
在细胞内建立人工的多肽自分类体系，是一项非常具有挑战的工作，这主要由于多肽分子的结构类似性造成。前面讲过，所有多肽均都是由氨基酸通过肽键连接而成的分子，而肽键基团会让不同的多肽分子，趋向于在一起共组装。
余志林表示：“在多肽组装的设计上，我们团队具有丰富的经验。为了突破多肽分子共组装的倾向性，我们决定采用堆积模式差异性，去驱动多肽分子的自分类组装。”
堆积模式，就想像堆积木一样，相同堆积模式的分子很容易进行选择性组装。在前期工作的基础上，课题组设计出具有不同堆积模式的两个多肽分子，其中一个是类磷脂分子，另一个哑铃型分子。
类磷脂分子，是指具有类似细胞膜中磷脂分子结构、含有两条疏水链的多肽分子。该团队的前期工作证明，这类分子容易发生疏水片段的穿插，从而让多肽分子能以穿插堆积的模式进行组装。
哑铃型分子，则指中间疏水、两端亲水的分子，它很容易发生平行或反平行的堆积组装。在体系能量最小化原则性下，当它们混合在一起时，则倾向于发生自分类组装过程。
另据悉，胞内多肽组装一般需要设计具有刺激响应的多肽组装前体分子，通过对细胞内刺激源的响应，促发细胞内多肽组装形成纳米结构，为此该团队选择 GSH（glutathione，r-glutamyl cysteingl +glycine）作为刺激源。
GSH 分子的中文全称是谷胱甘肽，是一个非常常见的生物还原剂，可引发诸多还原反应。针对此次设计的两个多肽分子，课题组分别通过引入具有 GSH 还原响应的连接链和硒代亚砜结构，借此增强多肽分子的亲水性，抑制多肽分子在 GSH 还原前的组装行为。
在 GSH 还原响应下，多肽分子的亲水链段被切割、亲水性的硒代亚砜基团则被还原成疏水性的硒醚基团，从而形成具有组装能力的多肽分子，进而引发多肽组装过程。其中，两个还原多肽分子，分别按照穿插堆积、以及平行堆积模式，形成独立的纳米纤维和纳米带结构。
实现靶向用药、并促进导致癌细胞死亡
余志林表示，此次所建立的原位自分类组装体系，能同时在细胞内构筑两种独立的多肽有序结构，在多肽功能化基础上，可实现不同生物结构的同时靶向作用，从而允许人为地协同调控不同生命过程，这是普通多肽原位组装结构办不到的事情，也是此次新机制在构筑生物医用功能材料上的意义所在。
研究中，他们在两种多肽结构中引入具有不同细胞器靶向功能的基团，一个是靶向高尔基体，一个是靶向内质网，这两个细胞器是蛋白质合成的主要场所。
由于多肽有序结构的靶向富集作用，致使细胞器功能障碍，从而杀死癌细胞。因此这一过程、与前面开发的酶放大组装体系，在药物递送上的作用略有不同。
药物递送，一般是指对传统化疗药物的有效递送，借助多肽组装体系、来提高药物的临床治疗效果。原位自分类体系，则不涉及到化疗药物，主要通过原位构筑的多肽组装体，对生物结构产生物理干扰、破坏生理过程，达到诱导细胞凋亡的目的。
当然，原位自分类体系也可被用来作药物递送体系，目前仍存在技术上的细节问题，团队成员正在加快解决，以推动该机制在药物递送领域的应用。
尽管余志林的研究领域还处于基础应用研究范畴，但他说：“我们的研究策略始终定位在前沿创新上，基本不做跟风式的材料设计工作，所报道的材料都有我们团队自己的标签。我们的材料创新性很强，但由于团队规模目前还比较小，基本上没有精力兼顾材料的基础研究与商业推广，不过终极目标仍是让材料走向实际应用。”
-End-
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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