原位自組裝多肽在腫瘤和細(xì)菌感染診斷及治療中的研究進(jìn)展

張從柔，黃帆，劉鑒峰，楊麗軍

自組裝是自然界中一種普遍存在的現(xiàn)象，是指結(jié)構(gòu)單元通過(guò)非共價(jià)鍵（如氫鍵、疏水作用、范德華力等）自發(fā)形成具有一定穩(wěn)定幾何外形的結(jié)構(gòu)，生物體內(nèi)雙螺旋DNA的形成及某些功能性蛋白質(zhì)的產(chǎn)生均屬于自組裝現(xiàn)象［1-3］。研究人員模擬天然自組裝的過(guò)程開(kāi)發(fā)了一系列自組裝材料，在催化材料、生物醫(yī)藥、膜分離技術(shù)及電池制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在生物醫(yī)藥行業(yè)，小分子自組裝材料備受青睞［4-6］。近年來(lái)，科學(xué)家提出了“原位自組裝”的概念，即具有靶向性的小分子自組裝前體（如多肽等）在體內(nèi)特定靶點(diǎn)部位（如腫瘤、炎癥部位等）高效聚集，并在該部位特異性高表達(dá)的物質(zhì)（如酶、ATP等）誘導(dǎo)下，通過(guò)自組裝形成納米結(jié)構(gòu)［7-8］。原位自組裝多肽是一類(lèi)可修飾性強(qiáng)且制備簡(jiǎn)單的小分子自組裝材料，由于具有良好的生物相容性、高的體內(nèi)穩(wěn)定性、可降解性、生物膜穿透性及可高效負(fù)載探針和藥物等優(yōu)點(diǎn)，其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊［9］。通過(guò)多肽原位自組裝，可以準(zhǔn)確地將診斷探針和治療藥物高效富集到病灶部位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的精準(zhǔn)定位和靶向治療。

腫瘤和細(xì)菌感染是嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的兩大疾病。腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移性、異質(zhì)性及腫瘤內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜多變性為腫瘤診斷和治療帶來(lái)了極大的困難［10］，而抗生素濫用導(dǎo)致的細(xì)菌耐藥性不斷增強(qiáng)對(duì)細(xì)菌感染的診療提出了更大的挑戰(zhàn)［11］。最近，研究人員基于原位自組裝多肽的生物學(xué)優(yōu)點(diǎn)及其對(duì)疾病的精準(zhǔn)靶向作用開(kāi)發(fā)出一系列的新型多肽診療試劑。本文將著重介紹原位自組裝多肽在腫瘤及細(xì)菌感染的診斷及治療中的研究進(jìn)展。

1 原位自組裝多肽在腫瘤診斷及治療中的研究

1.1 原位自組裝多肽在腫瘤診斷中的研究 目前提高腫瘤治愈率的最有效手段是早發(fā)現(xiàn)、早治療。因此，發(fā)展能夠?qū)δ[瘤進(jìn)行早期、快速檢測(cè)并準(zhǔn)確定位的診斷方法能夠大大降低腫瘤的死亡率。相對(duì)于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞處于快速增殖的狀態(tài)，因此某些酶在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)，如堿性磷酸酶（ALP）［12］。根據(jù)腫瘤細(xì)胞的這一特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)制備基于酶誘導(dǎo)的原位自組裝多肽分子探針，用于腫瘤早期診斷。Zhou等［13］將對(duì)ALP敏感的多肽鏈與熒光分子4-硝基苯基-2-氧雜-1，3-二唑（NBD）共價(jià)結(jié)合，構(gòu)建了一種高敏感度的自組裝多肽熒光探針pNDP1。當(dāng)該探針到達(dá)腫瘤部位時(shí)，高表達(dá)的ALP切掉磷酸基團(tuán)生成NDP1，發(fā)生原位自組裝，形成納米纖維。該研究發(fā)現(xiàn)，在0～24 h內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，腫瘤部位的熒光不斷增強(qiáng)，說(shuō)明NDP1納米探針在腫瘤部位持續(xù)靶向聚集。這種具有ALP響應(yīng)性的原位自組裝多肽熒光探針為腫瘤早期精確診斷提供了新方法，值得深入研究。

最近光聲成像因可無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)患者病灶而受到人們的廣泛重視［14-17］?；诖顺上窦夹g(shù)，Dragulescu-Andrasi等［18］制備了一種對(duì)腫瘤細(xì)胞內(nèi)高表達(dá)的弗林蛋白酶敏感的多肽序列（RVRRCK），并在此序列的K端連接2-氨基-6-氰基苯并噻唑和熒光染料Atto 740，構(gòu)建出一種高效的光聲成像探針。在弗林蛋白酶催化下，RVRR序列分離，半胱氨酸上的胺基和巰基與2-氨基-6-氰基苯并噻唑上的氰基發(fā)生“click”反應(yīng)，聚集并自組裝于腫瘤細(xì)胞，發(fā)射出較強(qiáng)的光聲信號(hào)，從而精確地檢測(cè)出深層腫瘤，為腫瘤的臨床診斷提供了新思路。

1.2 原位自組裝多肽在腫瘤治療中的研究 腫瘤治療一直以來(lái)都是人們需要攻克的難題，而近年來(lái)腫瘤耐藥性的出現(xiàn)使腫瘤治療更加困難［19］。原位自組裝多肽能夠靶向性地在腫瘤部位形成特殊的納米結(jié)構(gòu)，該納米材料可以與細(xì)胞的一些支架蛋白如微管蛋白等結(jié)合，從而影響腫瘤細(xì)胞的遷移，起到殺傷腫瘤細(xì)胞的作用［20-21］。有研究基于腫瘤組織含有高濃度ALP的特點(diǎn)，研制出一種可被ALP誘導(dǎo)組裝的四肽，這種多肽能夠在腫瘤部位蓄積并自組裝形成納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的靶向治療［22-24］。在ALP作用下多肽酪氨酸殘基上的磷酸基團(tuán)脫離，促使多肽分子在腫瘤部位快速形成納米纖維，該納米纖維可以與細(xì)胞的死亡受體相互作用，將腫瘤細(xì)胞的生存信號(hào)轉(zhuǎn)化為死亡信號(hào)，從而取得良好的腫瘤殺傷效果。

三磷酸腺苷（ATP）是生物體內(nèi)最直接的供能物質(zhì)，其釋放出能量之后會(huì)轉(zhuǎn)化成二磷酸腺苷（ADP），細(xì)胞內(nèi)ATP與ADP的平衡對(duì)于生命活動(dòng)有著非常重要的意義［25］。核肽是一種可以與核酶共價(jià)結(jié)合的多肽，具有良好的生物相容性和穩(wěn)定性，且易在水中自組裝成納米結(jié)構(gòu)［26］。最近，Wang等［25］設(shè)計(jì)了一條D-構(gòu)型的核肽，序列為DFDFDKDKDFDKDLDKDL。其中，序列DFDF可以增強(qiáng)核肽的自組裝能力，序列DKDKDFDKDLDKDL能夠與ATP上的磷酸基團(tuán)相結(jié)合，而D-構(gòu)型氨基酸可抵抗蛋白酶的水解作用，保證核肽序列在體內(nèi)的穩(wěn)定性。該核肽能夠選擇性地與細(xì)胞內(nèi)的ATP結(jié)合，原位共組裝成穩(wěn)定的納米纖維并沉淀，阻斷了ATP到ADP的轉(zhuǎn)化，從而阻礙或者降低外排泵在腫瘤細(xì)胞中的作用，減少腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥的外排，降低耐藥性，增強(qiáng)藥物的抗腫瘤效果。此外，基于腫瘤部位因代謝旺盛導(dǎo)致的局部溫度高于正常組織的特點(diǎn)，王浩教授課題組設(shè)計(jì)了一種溫敏型的聚合物-多肽偶聯(lián)物，可以靶向乳腺癌細(xì)胞高表達(dá)的表皮生長(zhǎng)因子2（HER2）受體，并在較高腫瘤溫度的促進(jìn)下自組裝于細(xì)胞表面，抑制乳腺癌細(xì)胞的增殖［27］。

1.3 原位自組裝多肽在腫瘤診療一體化中的研究 腫瘤的診療一體化是腫瘤診斷和治療發(fā)展的新方向。原位自組裝多肽可以將診斷探針和治療藥物共價(jià)結(jié)合到同一分子上，并在腫瘤部位通過(guò)自組裝形成納米結(jié)構(gòu)聚集體，在腫瘤診療一體化方面呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。Huang等［28］將吲哚菁綠（ICG）分子與磷酸酶誘導(dǎo)組裝的多肽混合注射到小鼠體內(nèi)，到達(dá)腫瘤部位之后，多肽在磷酸酶的作用下切掉磷酸基團(tuán)，并與ICG共組裝原位形成納米纖維；該材料能夠明顯增加ICG在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的含量并能延長(zhǎng)ICG的半衰期，獲得了良好的熒光-光聲雙模態(tài)成像效果，實(shí)現(xiàn)了腫瘤的精準(zhǔn)診斷，同時(shí)利用ICG良好的光熱性能還可以對(duì)腫瘤進(jìn)行有效的光熱治療。

Zhan等［29］提出“串聯(lián)自組裝”的概念，設(shè)計(jì)的多肽NBD-GFFPY-ss-ERGD能夠靶向腫瘤組織，并在腫瘤部位自組裝形成納米結(jié)構(gòu)，用于肝癌的診斷和治療；在肝癌細(xì)胞中，ALP高表達(dá)于細(xì)胞膜上，谷胱甘肽（GSH）則高表達(dá)于細(xì)胞內(nèi)，當(dāng)多肽到達(dá)腫瘤組織以后，首先在ALP誘導(dǎo)下于細(xì)胞表面組裝成納米粒，通過(guò)胞吞進(jìn)入細(xì)胞后，在GSH作用下，二硫鍵被還原切斷，納米粒自組裝形成納米纖維，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明該化合物能夠被肝癌細(xì)胞大量攝入，說(shuō)明該材料在肝癌的診斷和治療中有良好的應(yīng)用前景。

此外，Zhang等［30］采用酶敏感序列（PLGVRG）將腫瘤靶向序列（RGD）與紫紅素-18連接，形成的偶聯(lián)物可在腫瘤部位組裝并發(fā)出光聲信號(hào)，同時(shí)在激光照射時(shí)具有良好的光熱效果，從而達(dá)到診療一體化的目的。Yang等［31］將雙芘熒光探針（BP）、疏水性多肽序列（KLVFF）、pH敏感的聚組氨酸以及親水性序列（PEG）共價(jià)連接成一化合物，該化合物可自組裝形成納米粒。該納米粒在腫瘤微酸性環(huán)境誘導(dǎo)下發(fā)生電荷反轉(zhuǎn)，改變形態(tài)形成納米纖維，并富集ICG和阿霉素于腫瘤部位，從而實(shí)現(xiàn)光熱-化學(xué)聯(lián)合治療，同時(shí)有較好的熒光成像效果。Han等［32］也制備了一類(lèi)能在腫瘤微酸性環(huán)境下發(fā)生組裝形態(tài)改變并可進(jìn)行光動(dòng)力治療和腫瘤組織實(shí)時(shí)成像的原位自組裝嵌合肽，獲得了良好的腫瘤診療效果。

2 原位自組裝多肽在細(xì)菌感染診斷及治療中的研究

2.1 在細(xì)菌感染診斷中的研究 隨著抗生素濫用現(xiàn)象增加，細(xì)菌耐藥性問(wèn)題日益突出，因此對(duì)于細(xì)菌感染在體內(nèi)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確診斷的需求不斷增長(zhǎng)［5］。原位自組裝多肽在細(xì)菌感染診斷方面展現(xiàn)出很大優(yōu)勢(shì)，有研究將靶向分子萬(wàn)古霉素、熒光分子羅丹明及放射性核素125I與可自組裝的多肽分子FF共價(jià)結(jié)合，構(gòu)建了一種熒光-同位素雙模態(tài)分子探針，用于體內(nèi)細(xì)菌感染診斷［33］。該探針中的萬(wàn)古霉素能夠特異性識(shí)別革蘭陽(yáng)性菌細(xì)胞膜上的D-Ala-D-Ala結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)探針與細(xì)菌的靶向結(jié)合［34-35］。探針?lè)肿釉诩?xì)菌表面不斷聚集，自組裝形成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)，吸附于細(xì)菌表面；羅丹明與125I可分別進(jìn)行熒光和同位素成像，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌所致小鼠肌炎和肺炎的精確診斷［34-35］。

Li等［36］也針對(duì)細(xì)菌檢測(cè)設(shè)計(jì)了一種新型光聲成像探針。該探針以對(duì)炎癥部位過(guò)表達(dá)的酶敏感的多肽序列（PLGVRG）為母體，將能靶向革蘭陽(yáng)性菌的萬(wàn)古霉素和可發(fā)射光聲信號(hào)的焦脫鎂葉綠素共價(jià)連接，取得了良好的光聲成像效果。

2.2 原位自組裝多肽在細(xì)菌感染診療一體化中的研究 原位自組裝多肽可以靶向于細(xì)菌表面并聚集形成納米結(jié)構(gòu)，為體內(nèi)細(xì)菌感染的診斷和治療提供了新思路。Ren等［37］設(shè)計(jì)制備了含有萬(wàn)古霉素和NBD的細(xì)菌原位自組裝多肽衍生物NBD-FFYEGK（Van），用于細(xì)菌感染的診療一體化研究。該分子中萬(wàn)古霉素能與D-Ala-D-Ala結(jié)構(gòu)特異性結(jié)合，靶向于細(xì)菌表面，在細(xì)菌表面聚集組裝成納米粒。由于NBD在疏水環(huán)境中能發(fā)出較強(qiáng)的熒光［38］，因此細(xì)菌表面聚集態(tài)的NBD能發(fā)出強(qiáng)熒光信號(hào)，從而精準(zhǔn)診斷細(xì)菌感染部位。對(duì)于革蘭陽(yáng)性菌枯草桿菌，該分子的最小抑菌濃度與游離的萬(wàn)古霉素大致相同；而對(duì)于對(duì)萬(wàn)古霉素有耐藥作用的革蘭陽(yáng)性菌糞腸球菌，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該分子的最小抑菌濃度明顯低于游離的萬(wàn)古霉素。上述研究結(jié)果表明，該多肽衍生物對(duì)萬(wàn)古霉素耐藥細(xì)菌具有很好的抑制效果。

3 小結(jié)

綜上所述，原位自組裝多肽因其特有的性質(zhì)在腫瘤和細(xì)菌感染的診斷及治療中呈現(xiàn)出具大的優(yōu)勢(shì)和潛能［39］。由于腫瘤及細(xì)菌感染部位特異性高表達(dá)的某些物質(zhì)可以誘導(dǎo)這種多肽在病灶部位聚集并發(fā)生原位自組裝，形成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)，因此可以獲得對(duì)疾病的精準(zhǔn)診療并降低對(duì)正常組織毒副作用的效果。但是原位自組裝多肽作為一種新興研究領(lǐng)域，還有許多問(wèn)題亟待解決，例如組裝體在細(xì)胞內(nèi)形態(tài)的表征、組裝體與細(xì)胞的作用方式以及組裝體調(diào)控細(xì)胞行為的機(jī)制等。因此，原位自組裝多肽今后的發(fā)展可以從以下幾個(gè)方面入手：設(shè)計(jì)具有新結(jié)構(gòu)的多肽分子、開(kāi)發(fā)新的體內(nèi)響應(yīng)組裝方式、精準(zhǔn)調(diào)控多肽的組裝能力、實(shí)現(xiàn)多肽自組裝的可逆化以及增加組裝體在細(xì)胞或細(xì)胞器的濃度等。隨著對(duì)原位自組裝多肽研究的深入，其將會(huì)在疾病的診斷和治療中發(fā)揮更突出的作用。