短肽熒光水凝膠的合成應(yīng)用研究進(jìn)展

郭錦周，鄭仁林

(1 西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 達(dá)州 635000；2 西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621000)

熒光水凝膠是一種特殊的高分子凝膠，因其特殊的發(fā)光性質(zhì)而受到了許多研究者的關(guān)注[1]。熒光水凝膠是熒光劑和水凝膠的結(jié)合體，不僅具有水凝膠的優(yōu)點(diǎn)，還具有熒光劑的優(yōu)異性能。Su等[2]研究發(fā)現(xiàn)，熒光水凝膠通過調(diào)節(jié)發(fā)色團(tuán)和激發(fā)態(tài)環(huán)境，來改變熒光水凝膠的狀態(tài)及其發(fā)射光譜的變化。肽分子具有的分子間疏水作用力可以促使自身自組裝[3]。其分子結(jié)構(gòu)中的疏水基排列在內(nèi)側(cè)，而外側(cè)的親水基以互補(bǔ)的離子形式相互連接且呈現(xiàn)橫向交替排布，促使肽分子聚合成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的短肽或多肽等[4]，最終與熒光水凝膠結(jié)合，再經(jīng)凝膠化得到了短肽熒光水凝膠[5-6]。

1 制備原理

熒光水凝膠按其制備方法的不同大致可分為三類，有自組裝、聚合、交聯(lián)等[2]。其中，自組裝是指在沒有人為干預(yù)的情況下，小結(jié)構(gòu)單元自發(fā)排列形成有序結(jié)構(gòu)的過程，存在于自然和非自然系統(tǒng)中[7]。短肽熒光水凝膠就屬于自組裝水凝膠，其以疏水作用力、氫鍵和靜電作用力等作為肽自組裝的自組裝驅(qū)動(dòng)力。在短肽的合成過程程中，肽分子首先通過肽鍵連接成一條肽鏈，然后在經(jīng)過外力的作用形成二級(jí)結(jié)構(gòu)(圖1)[8]，二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在分子作用力的條件下進(jìn)行自組裝，最終形成穩(wěn)定性較好的凝膠。Seow等[9]在自己制備的短肽水凝膠中發(fā)現(xiàn)，肽在溶液中堆積，從隨機(jī)線圈演變成a螺旋，最后隨著濃度的增加并到達(dá)臨界凝膠化濃度，構(gòu)成了b-轉(zhuǎn)構(gòu)象[10]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，短肽熒光水凝膠的含水量也發(fā)揮著重要的作用。它不僅影響水凝膠的穩(wěn)定性和溶解性，還對(duì)凝膠中的熒光強(qiáng)度有影響。當(dāng)水凝膠中的水分較少時(shí)，分子被固定在一定位置，分子間的碰撞受到分子鏈的限制，氫鍵數(shù)目增多，從而實(shí)現(xiàn)熒光增強(qiáng)。

圖1 肽分子自組裝二級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.1 Self-assembled secondary structure of peptide molecules

2 短肽熒光水凝膠

2.1 Fmoc-D-丙氨?；臒晒馑z

9-芴甲氧基(Fmoc)是合成短肽過程中的一種重要的保護(hù)基，使其順利合成短肽。其中Fmoc中的9-芴甲氧羰基保護(hù)基(圖2)可以保護(hù)氨基酸的氨基不被破壞[11]，且還具有被生物體內(nèi)酶溶解和一定的生物學(xué)活性[12]，因此用于合成Fmoc-D-丙氨?；摹a等[13]先將Fmoc-D-丙氨酸的羧基進(jìn)行縮合，然后再用羧基活化劑將其活化，再以混合的有機(jī)溶劑作溶劑，在弱堿性條件下合成了Fmoc-D-丙氨?；?圖3)。之后將所制得的Fmoc-D-丙氨?；呐c熒光劑依次加入液態(tài)水凝膠中，冷卻后就得到了Fmoc-D-丙氨?；臒晒馑z。其進(jìn)一步檢測(cè)溫度和酸堿度對(duì)該凝膠的影響，酸根陰離子因帶有電子，且該二肽也帶有電子，兩者不易連接成鍵，所以對(duì)這種水凝膠形成的影響不顯著；再對(duì)溫度研究，由于肽鍵不耐高溫，導(dǎo)致該凝膠在高溫時(shí)結(jié)構(gòu)被破壞，所以溫度對(duì)這種水凝膠形成的影響較為顯著。

圖2 9-芴甲氧羰基保護(hù)基Fig.2 9-fluorene methoxycarbonyl protective group

圖3 Fmoc-D-丙氨?；暮铣赏緩紽ig.3 Synthesis pathway of Fmoc-D- alanyl dipeptide

2.2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶熒光水凝膠

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(Transglutaminase，TGase)是生物界內(nèi)一種重要的蛋白酶，其主要的運(yùn)用是催化不同蛋白分子之間谷氨酰胺殘基與伯氨基的交聯(lián)反應(yīng)，從而形成異肽鍵實(shí)現(xiàn)組分蛋白間的交聯(lián)[14-15]。Zhang等[16]利用固相合成方法合成了四種短肽分子Ac-I2～4QGK-NH2和Ac-F2QGK-NH2(見圖4)，再加入TGase和熒光劑，利用其酶促反應(yīng)(見圖5)制備成水凝膠。制備成功后，通過質(zhì)譜法、高效液相色譜法等的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，對(duì)于加入TGase和熒光劑的水凝膠體系，熒光強(qiáng)度隨著其濃度的增加而增加。這是由于電子的躍遷，促使了熒光的發(fā)射，當(dāng)電子從最低激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)射出光子即產(chǎn)生了熒光。

圖4 Ac-I2～4QGK-NH2和Ac-F2QGK-NH2系列短肽Fig.4 Short peptides of AC-I2～4QGK-NH2 and AC-F2QGK-NH2 series

圖5 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶酶促反應(yīng)Fig.5 Glutamine transaminase enzymatic reaction

2.3 Zn卟啉芳香基短肽水凝膠

隨著短肽水凝膠的發(fā)展，越來越多的研究表明，短肽類自組裝材料有一定的光電性質(zhì)，甚至超過了傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電材料[17]。研究發(fā)現(xiàn)通過對(duì)芳香基短肽合成條件的控制[17-18]，可以控制其結(jié)構(gòu)的形貌，進(jìn)而使其具有光電特性[19](見圖6)。Feng等[20]將色素分子Zn卟啉摻雜進(jìn)芳香基短肽水凝膠中，其合成了具有光電特性的凝膠材料，且凝膠中的肽骨架結(jié)構(gòu)接受著光電子，促進(jìn)電荷的分離和光電子的產(chǎn)生。經(jīng)過FTIR和CD譜測(cè)試表明該凝膠中的肽纖維具有b折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)；光電子測(cè)試證明了該凝膠具有顯著的光響應(yīng)特性。因此，這種雜化水凝膠在太陽能轉(zhuǎn)化方面具有極大的應(yīng)用潛力。

圖6 Zn卟啉芳香基短肽光電子產(chǎn)生原理Fig.6 Photoelectron generation principle of Zn porphyrin aromatic short peptide

3 應(yīng)用研究

3.1 藥物輸送

氨基酸和短肽是人體內(nèi)必不可少的一類物質(zhì)，它與人體的生理活動(dòng)和疾病治療有著密不可分的關(guān)系。使用合適的給藥系統(tǒng)可以保證較高的藥物利用度，并能長時(shí)間發(fā)揮藥效，減少藥物的給予量和對(duì)身體的危害。熒光凝膠具有良好的發(fā)光性質(zhì)，能通過熒光強(qiáng)度來觀察藥物的運(yùn)輸狀況，且無毒副作用，成為一種適合藥物運(yùn)輸?shù)牟牧蟍21-22]。例如Te熒光水凝膠[23]就是通過檢測(cè)相關(guān)部位熒光的分布，然后Te-巰基-二硫鍵在細(xì)胞內(nèi)斷裂，導(dǎo)致納米材料3D網(wǎng)絡(luò)的破壞，進(jìn)而精準(zhǔn)釋放藥物。

3.2 重金屬離子檢測(cè)

重金屬離子污染已經(jīng)成為危害生態(tài)環(huán)境和人類健康的全球性問題[24]。熒光水凝膠具有優(yōu)異的含水量和獨(dú)特的發(fā)光性能。它可以進(jìn)一步改造，用于檢測(cè)重金屬和其他環(huán)境污染物[25]。因熒光水凝膠中含有熒光物質(zhì)，所以將其做成檢測(cè)金屬離子的熒光探針。并且對(duì)于重金屬離子的檢測(cè)，純脂肪族的熒光材料比傳統(tǒng)的芳香族熒光材料更容易被接受，因?yàn)樗鼈冊(cè)诋a(chǎn)生熒光時(shí)不容易光降解和老化[26-27]，所以可以把短肽熒光水凝膠中的短肽換成含脂肪族的短肽，這樣就能提高熒光的強(qiáng)度，達(dá)到檢測(cè)重金屬離子的效果。

3.3 傳感器

基于熒光的傳感器已經(jīng)被常規(guī)用于生物學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)和環(huán)境科學(xué)。由于其生理相容性，熒光凝膠傳感器引起了醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。傳感器具有獨(dú)特的光譜特性，對(duì)熒光強(qiáng)度的變化感知較為靈敏。而其中的短肽主要起穩(wěn)固水凝膠的作用。例如，Weng等[28]報(bào)道了基于Eu-亞氨基二乙酸酯(Eu-IDA dynamic)配位的短肽熒光水凝膠，該凝膠適合制備成傳感器，因?yàn)槠湓趐H、溫度、金屬離子、超聲波處理以及各種力刺激下可以動(dòng)態(tài)斷裂和鍵合，并且可以切換光器件和溶膠與凝膠的轉(zhuǎn)換。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為傳感器后能更好的檢測(cè)疾病的發(fā)生與治療。

4 結(jié) 論

短肽的熒光水凝膠是一種生物相容性和生態(tài)友好的高分子物質(zhì)。這種肽由蛋白質(zhì)氨基酸殘基組成，其合成過程是一種綠色化學(xué)方法。目前，熒光水凝膠已廣泛應(yīng)用于傳感器、生物成像探針、組織修復(fù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。然而，熒光水凝膠也有一定的缺陷。例如，通過非共價(jià)相互作用制備的凝膠由于凝膠之間的弱相互作用而其機(jī)械穩(wěn)定性較差。

綜上所述，基于熒光水凝膠的良好前景，現(xiàn)階段的短肽熒光水凝膠仍需要進(jìn)一步改進(jìn)研究，加速完善短肽熒光水凝膠缺陷，制備更好的短肽熒光水凝膠顯得尤為重要。使其具有更多的生物學(xué)功能，推動(dòng)了化工技術(shù)、生物技術(shù)的進(jìn)步，從而服務(wù)于人類的疾病治療。