肽基超分子膠體

邢蕊蕊，鄒千里，閆學海

中國科學院過程工程研究所，生化工程國家重點實驗室，北京 100190

1 引言

超分子化學是基于分子間的非共價鍵相互作用(如氫鍵力、靜電力、疏水作用、π-π作用以及范德華力等)而形成分子聚集體的前沿科學。在膠體化學的基礎上，超分子化學的發展深化了人們對分子間的識別和組裝的理解，推動了新物質及新功能的創造及發展1-7。傳統的膠體如顆粒、囊泡、膠束、膜、介晶等，為兼具丁達爾效應、介穩性、電泳及聚沉效應等的系列膠狀分散體系。它們廣泛存在于自然界中，是多種復雜結構及功能的重要組成部分8,9。然而，傳統膠體體系難以滿足新型功能材料和仿生材料對分子多層級、多尺度有序排列的需求10-14?！俺肿幽z體”是基于分子之間弱相互作用的協同，自下而上自發形成的，具有有序的分子排布及規整結構，并兼具傳統膠體及超分子特性的組裝體系，其是膠體與界面化學和超分子化學學科發展有機結合的產物。

基于肽自組裝的超分子膠體，因其特有的生物安全性、可降解性、可調的結構及功能等，在分子仿生、生物醫學等領域具有重要的應用價值15-25。肽分子具有氨基酸規律排列且高度穩定的一級結構，在多重弱相互作用力的協同下，展現出了優異的多級組裝能力，從而有潛力實現具有高級結構的功能膠體的構筑26-28。相對于傳統的膠體，分子間弱相互作用力特有的動態性和方向性，賦予了肽基超分子膠體靈活可調的結構和功能29-35：1)通過對肽分子組裝過程中熱力學及動力學的有效調控，能夠實現多級、多尺度的顆粒、囊泡、纖維束、凝膠等膠體結構的可控組裝；2)肽基超分子膠體的可逆性、自愈性、環境響應性等物理化學特征，為實現膠體材料的智能化及功能化創造了靈活、有效手段。同時，肽分子具有高的安全性及特有的生物活性，拓展了肽基超分子膠體的應用范圍。

結合肽分子結構明確、可編輯、高生物安全性及優異的超分子組裝能力等優勢，以肽作為構筑基元，通過對其分子的精準設計及分子間作用力的有效調控，構筑肽自組裝的功能性超分子膠體，不僅豐富了膠體的制備途徑，同時為超分子膠體的功能化應用提供了新的前景36-39。然而，肽基超分子膠體的研究也面臨著重要的挑戰：組裝基元的精準設計及組裝過程的有效調控為豐富的膠體結構的構筑奠定了基礎，如何從分子設計出發，發展超分子自組裝的方法學，實現具有特定結構的超分子膠體的構筑是目前所面臨的挑戰之一；深入探究膠體結構與功能的構效關系，實現超分子組裝體的功能化是所面臨的另一挑戰。本綜述將基于肽基超分子膠體研究領域所面臨的關鍵性科學問題展開討論，對肽基超分子膠體在能源光催化、疾病光診療領域的應用做重點論述。

2 超分子作用與肽基膠體結構

肽具有明確的生物來源及高的生物安全性，因此在生物醫藥等領域有著廣闊的應用前景。作為蛋白質的簡單組成基元，肽在一定程度上實現了對復雜蛋白質行為及功能的模擬，研究肽的超分子組裝性質，為深入理解蛋白質的自組裝行為開辟了新的途徑40,41。在超分子組裝的驅動下，肽分子能夠被操縱形成多種結構明確、性能穩定的膠體體系。而肽自組裝的超分子膠體的構筑通常涉及到兩種或多種非共價作用的協同42。從分子層次出發，通過對肽序列的精準設計，調控肽分子-肽分子、肽分子-其它分子等間的相互作用，實現對膠體結構的精準調控，是一種行之有效的策略。

2.1 肽自組裝

肽自組裝的超分子膠體的構筑依靠于肽分子(如線性肽、兩親性肽、環肽、芳香肽、樹突狀肽等)間非共價鍵力的作用，這些弱相互作用力是驅動肽分子組裝并維持膠體穩定的關鍵因素43,44。如，氫鍵作用強度適中，并具有方向性和一定程度的選擇性，在穩定肽鏈的二級結構以及維持蛋白質三維構象方面發揮著關鍵性作用，氫鍵驅動自組裝是一種被廣泛應用于構筑穩定有序的超分子膠體的重要方法；靜電組裝技術常被應用于構筑基于帶電肽的二元或多元顆粒、薄膜、三維凝膠等膠體體系；π-π堆積通常發生于基于芳香肽的膠體的定向組裝；疏水作用自身存在著無方向性的特質，更容易驅動肽分子向膠束的組裝；范德華力在兩親性肽的超分子組裝過程中，發揮著關鍵性作用。肽自組裝的超分子膠體的結構及功能的實現，主要依賴于超分子相互作用，而影響超分子作用的關鍵因素主要包括了組裝環境的變化及組裝基元自身的特征4,31,45。

苯丙氨酸二肽(FF)是一種最常用的超分子組裝模塊，Li及其團隊對基于FF的系列超分子膠體體系，如納米管、球形囊泡、納米纖維、納米線和有序分子鏈等作了詳細綜述6。在氫鍵作用及芳香族殘基的π-π堆積作用下，FF可組裝形成長程有序的納米管結構18；在FF分子內引入巰基可改變肽的超分子自組裝特性，如半胱氨酸二苯基丙氨酸三肽(CFF)能夠自組裝成球形囊泡結構46；FF在甲苯、氯仿等有機溶劑中，能夠自組裝形成三維水凝膠47；FF能夠在二硫化碳(CS2)中自組裝成單分散的剛性納米線48。因此，通過對肽基元的分子結構、帶電情況、親疏水性質以及組裝環境(溫度、pH值、微量溶劑)等的精準調控，能夠實現對肽自組裝的超分子膠體的結構的有效調控。Lu及其團隊在對基于兩親性肽的超分子膠體的綜述中21，也提出了超分子作用對膠體結構的重要影響。比如，肽的序列和長度對組裝結構產生了明顯影響，肽分子I4K2可形成螺旋構象的纖維結構，而肽分子KI4K更傾向于生成納米管結構49；AC-AmK-NH2(m=3, 6, 9)系列肽，隨著疏水尾長m的延長，組裝體結構的尺寸和形狀發生明顯變化，A3K傾向于形成不穩定的折疊堆積結構，A6K傾向于形成長的納米管或納米纖維結構，而A9K傾向于自組裝成短的納米棒結構(圖1a)，這種結構變化與分子堆積中的熵效應及靜電斥力的改變有關50。

圖1 (a) Ac-AmK-NH2 (m = 3, 6, 9) 肽的組裝行為50；(b)焓ΔH及肽的組裝形貌與含水量的關系31Fig.1 (a) Schematic illustrations of Ac-AmK-NH2 (m = 3, 6, 9) peptide self-assembly 50.(b) Dependence of ΔH and morphology of peptide assemblies on the content of water 31.

Yan等45在前期工作中闡明了微量溶劑在橋連氫鍵驅動下的肽基超分子膠體構筑中所發揮的關鍵作用。具有氫鍵形成能力的有機溶劑(如乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和丙酮等)，能夠直接影響FF二肽分子中C―O與N―H之間的氫鍵相互作用。對比于FF在常規有機溶劑中表現出的強結晶傾向，定向的氫鍵作用，促進了FF的有序排列，使得FF更傾向于組裝成為規整的納米纖維或納米帶結構(圖1b)。

除肽的序列及長度，以及組裝環境對超分子組裝行為的影響外，肽的固有屬性在某種程度上決定了膠體的結構及性質。相對于線性肽，環肽具有高的分子剛性，因此它在生物體內表現出了低的降解率及高的生理穩定性51。環二肽(CDPs)是最小的環狀肽，作為次級代謝產物，具有多種生物功能及藥理活性。特別是，環二肽分子內含有兩個氫鍵給體和兩個氫鍵受體，在強的氫鍵力驅動下，環二肽表現出了高的超分子組裝特性，能夠組裝形成三維的凝膠體系52。Yan等53選用了環-亮氨酸-苯丙氨酸(cyclo-(Leu-Phe)，C-LF)作為組裝基元，研究了其在純水、緩沖液、培養基、酶裂解液中的組裝行為，結果表明，C-LF能夠在多種介質內組裝形成三維凝膠并維持穩定，自組裝的超分子凝膠表現出了靈活的流變學性質及極端環境下的高穩定性，這都歸因于分子間強大的超分子氫鍵的作用(圖2)。

2.2 肽調控協同自組裝

圖2 環肽C-LF組裝形成纖維水凝膠。AAMD計算模擬指示出了分子內相互作用(白色、銀色、藍色和紅色分別代表了氫、碳、氮和氧原子) 53Fig.2 Schematic illustration of C-LF self-assembling into fibrous hydrogels.AAMD simulations elucidating the intermolecular interactions in the hydrogels (white,silver, blue, and red spheres represent hydrogen,carbon, nitrogen, and oxygen atoms, respectively) 53.

除了上述通過對肽分子的設計及環境調控，實現其超分子膠體的可控組裝之外，充分利用肽豐富的分子間作用位點，實現包含肽分子在內的二元或多元分子的協同組裝，不僅為多種弱相互作用協同，構筑超分子膠體奠定堅實的理論基礎，還能夠進一步豐富肽自組裝的超分子膠體的結構和功能54-56。

受到自然界中天然色素蛋白質的啟發，Yan課題組提出了“肽調控光敏分子協同自組裝”的方法，并深入研究了肽基超分子膠體自組裝的物理化學機制4。簡而言之，“肽調控協同自組裝”就是基于對肽分子的設計，通過對其分子間超分子相互作用的協同性調控，實現對肽與光敏分子組裝過程中熱力學與動力學的調控，進而實現對超分子膠體的結構及功能的有效控制，它是一種簡單、精準且有效的策略。

兩親性肽分子FF (微酸環境帶正電荷，FF+)調控水溶性的卟啉分子H2TPPS (微酸環境帶負電荷，[H2TPPS]2-)組裝，傾向于形成多孔、多室的微球結構(圖3a)。在這個組裝過程中，H2TPPS先是以J-聚集的排布模式組裝成纖維，在靜電作用及疏水作用力的協同下，FF調控纖維束的定向排布和生長，最終形成高度有序的微球結構57；當用親水性的肽分子KK替代兩親性肽分子FF之后，膠體的結構不再是微球，而是轉變為長程有序的纖維束(圖3b)。在這個過程中，H2TPPS先是通過分子間的ππ堆積形成J-聚集模式的納米棒，由于長程靜電斥力和短程范德華引力之間的平衡，最終自發堆積成為了有序的纖維束58。正是由于組裝基元FF與KK的親疏水性質的差異，使得其在調控同一光敏分子的組裝時，表現出了不同的超分子作用力的協同，進而影響了膠體的分子排布模式及結構59。

3 超分子作用與肽基膠體性質

超分子作用對肽自組裝的超分子膠體的構筑，及膠體的物理化學性質具有調控作用，特別是實現對其組裝模式、能量轉化、穩定性等的調控，進而實現了膠體功能的多樣化。

3.1 組裝模式的影響

芳香族肽是一類整合了芳香基團與疏水基團的組裝基元，在多種分子間相互作用，特別是疏水作用、氫鍵作用、π-π堆積和范德華力等的驅動下，它們能夠通過多尺度分層組裝過程，自組裝形成有序膠體結構。其中，N-芴甲氧羰基修飾的二苯基丙氨酸肽(Fmoc-FF)是一種典型的超分子膠體構筑基元，它能夠組裝成纖維狀的三維水凝膠，在傳感、細胞培養等領域得到了廣泛應用60,61。Ulijn課題組61報道了此淀粉樣衍生肽能夠通過N-芴甲氧羰基與苯環基團之間的π-π內鎖的β-折疊(π-πinterlocked β-sheets)結構，形成納米柱(圖4a)，并進一步三維纏繞成為超分子水凝膠(圖4b，c)。即，在氫鍵以及π-π堆積作用力的驅動下，Fmoc-FF傾向于形成具有反平行β-折疊二級結構的纖維水凝膠。

圖3 (a) FF-H2TPPS微球組裝機理示意圖57；(b)單個微球橫截面掃描電鏡圖像，顯示多孔形貌57；(c) KK-H2TPPS纖維束組裝機理示意圖58；(d)纖維束的共聚焦顯微鏡照片，顯示紅光致發光58Fig.3 (a) Proposed mechanism for the self-assembly of FF-H2TPPS microspheres 57.(b) SEM image of a single microsphere cross-section showing porous structures 57.(c) Proposed mechanism for the formation of KK-H2TPPS fiber bundles 58.(d) Confocal image of fiber bundles showing red photoluminescence 58.

在上述基礎上，Yan等62發展了一種Fmoc-FF組裝過程中的二級結構由β-折疊向α-螺旋轉變的電荷誘導策略(圖4d)。通過對肽分子C末端所帶電荷的調控，實現對分子末端靜電作用的有效調控，進而實現了對其超分子組裝模式的精準控制。通過對肽基元的超分子作用力的簡單調控，實現組裝體的二級結構由錯誤的β-折疊聚集向α-螺旋的轉變，有助于了解阿爾茲海默癥等神經性退行性疾病的發病機制，為理解超分子組織和生命活動中二級結構的形成和轉變提供了新的視角63。同時，超分子作用的調控進一步拓寬了具有α-螺旋結構的肽基膠體的功能性及應用范圍。

3.2 能量轉化途徑的影響

肽調控光敏分子自組裝，能夠實現多種膠體結構的有效構筑。同時，通過對其超分子作用力的精準調控，也能夠實現肽基膠體對光能的吸收及能量的可控轉化。對于光敏分子而言，光能的主要轉化途徑為“熒光”(活性氧)路徑及“熱”路徑。而如何實現對上述兩條能量轉化路徑的有效調控，無論是對于深入理解生命進化，或是發展高效的光功能膠體都具有重要意義。

Yan課題組64利用簡單的陽離子二肽分子(HPhe-Phe-NH2·HCl，CDP)及改性的氨基酸(Fmoc-LLys)調控疏水性的光敏分子二氫卟吩e6 (Ce6)進行超分子協同組裝，實現了π-π堆積、靜電作用及疏水作用協同下的超分子膠體的構筑(圖5a)。在多重超分子作用力的協同下，此膠體顆粒在血液循環過程中，能夠維持分子聚集，實現熒光淬滅，并保持高度穩定性。在特定生理環境下(如腫瘤微環境：低pH值、酶等)，超分子作用減弱達到動態平衡，響應性釋放出光敏分子，進一步完成光能向熒光及活性氧物種的高效轉化。在另外一個工作中，Yan等65通過共價耦合實現了肽/卟啉復合分子(TPP-G-FF)的合成，在π-π作用及疏水作用力的協同下，TPP-G-FF能夠自組裝形成分子排布緊密的光熱納米點(圖5b)。其中，強的π-π堆積導致了分子熒光的完全淬滅，進而抑制了活性氧的生成，使得膠體納米點展現出了高效的光熱轉換。同時，擁有負電荷表面的膠體納米點，在靜電斥力的作用下，實現了長期的膠體儲存穩定性和血液循環穩定性。上述研究結果表明，超分子作用的合理設計可以有效控制肽基膠體的光能轉化模式。

圖4 (a)反平行β-折疊排列的Fmoc-FF肽的模型結構61；(b) Fmoc-FF自組裝形成透明的凝膠61；(c)冷凍掃描顯微鏡顯示凝膠的微觀結構為扁平的纖維束61；(d)提出了以β-折疊和α-螺旋二級結構為主的納米纖維自組裝機理62Fig.4 (a) A model structure was created of Fmoc-FF peptides arranged in an anti-parallel β-sheet pattern 61.(b) Fmoc-FF forms a self-supporting transparent hydrogel 61.(c) The microscopic structure as observed by cryo-SEM presents flat bundles of fibers 61.(d) Proposed mechanism for the self-assembly of nanofibers dominated with β-sheet and α-helix secondary structures 62.

圖5 (a)基于兩親性肽或氨基酸構筑光動力腫瘤治療納米顆粒64；(b)納米顆粒在細胞層次的內在化，其中紅色表示光敏劑64；(c)肽-卟啉的共軛物(TPP-G-FF)自組裝構筑光熱納米點65；(d)隨激光強度變化，納米點在水溶液中的升溫情況65Fig.5 (a) Fabrication of photodynamic nanoparticles by amphiphilic dipeptide- or amino-acid-tuned self-assembly 64.(b) Cell internalization of the assembled NPs in vitro, the red represents photosensitizer 64.(c) Self-assembly of a peptide-porphyrin conjugate (TPP-G-FF) into photothermal peptide-porphyrin nanodots 65.(d) Temperature elevation of nanodots in water in dependence of light intensity 65.

近期的工作中，Yan等66發現氧氣在含酪氨酸的肽(Z-Tyr-OH，ZY；Z-Tyr-His-Tyr-Gly-OH，Z-YHYG)的進化過程中的重要作用：在富氧的環境下，它們傾向于組裝成為具有光熱轉化效應的膠體；在乏氧的環境下，它們傾向于組裝成為具有熒光效應的膠體。這種基于對環境因素的簡單調控，實現了對能量轉化途徑的精準調控，進而實現具有特定功能的肽基膠體的定向組裝。

3.3 穩定性的影響

通過引入強的疏水作用，增強超分子膠體在多種環境下，特別是在生理環境中的穩定性，已被證實是一種有效的策略。通過引入金屬離子，實現多種弱相互作用與金屬配位作用的協同，構筑新型的肽自組裝的超分子膠體，在引入功能(如成像等)的同時，可顯著增強膠體的穩定性67-69。

Yan等70報道了一種通過多組分配位自組裝設計智能肽基超分子光動力金屬納米藥物的策略。作者選用了兩種具有金屬配位能力的肽作為組裝基元，包括兩親性氨基酸Fmoc-His (Fmoc-H)及兩親性二肽Z-His-Phe (Z-HF)，用于與金屬鋅離子(Zn2+)的配位組裝(圖6a，b)。所構筑的金屬納米藥物表現出了獨特的優勢：此膠體藥物是通過金屬配位作用和多種弱相互作用(疏水作用、靜電作用等)的協同形成的，同時實現了血液循環的高穩定性和腫瘤微環境的“爆發式”藥物釋放(pH和氧化還原環境下，圖6c)。在另外的工作中，兩親性氨基酸(Fmoc-L、Fmoc-H、Fmoc-P、Fmoc-Y)協同自組裝金屬離子(Mn2+)，同時包裹光敏分子Ce6，實現了多組分的膠體平臺的構筑。在疏水、π-π堆積以及金屬配位作用的協同下，構筑的膠體材料展現出了高的穩定性，同時，金屬離子Mn2+的引入，擴展了膠體藥物在磁共振成像(MRI)方面的應用(圖6d)71。

圖6 (a) Zn2+存在下，肽與光敏劑協同作用構建金屬納米藥物70；(b)金屬納米藥物的透射電鏡圖片70；(c)金屬納米藥物對pH和GSH變化的超靈敏反應70；(d) Mn2+存在下，肽與光敏劑協同組裝構筑磁共振成像/光動力診療一體化平臺71Fig.6 (a) Construction of metallo-nanodrugs through cooperative coordination of peptides and photosensitizers in the presence of zinc ions.(b) TEM images of the metallo-nanodrugs.(c) The ultrasensitive response of metallo-nanodrugs to pH and GSH changes 70.(d) Construction of integrated MRI/PDT platform through cooperative coordination of peptides and photosensitizers in the presence of manganese ions 71.

4 肽基超分子膠體的應用

肽自組裝的超分子膠體因其制備簡單、生物適用性強等優勢已得到了廣泛的應用。基于超分子化學的理念，非共價鍵特有的動態性及方向性，進一步推動了膠體材料的組裝可調性及智能響應性。在此部分，我們將著重于介紹“分子間相互作用”調控下的肽基超分子膠體在仿生光合成及腫瘤光治療領域的應用。如，以氨基酸、寡肽、卟啉等生物小分子作為膠體的構筑基元，通過超分子自組裝的手段構筑系列仿生光合成膠體體系，用于模擬自然界光合系統的光能催化與轉化過程，實現光能的吸收、利用及物質的轉化生成(如氫氣/氧氣的產生、二氧化碳的還原等)。再者，通過超分子化學的策略，解決光敏藥物/色素分子在光動力/光熱抗腫瘤領域的應用限制(如，全身光毒性、利用率低、靶向性差等)，實現光敏藥物的智能響應、高效遞送及增強的腫瘤光治療。

4.1 仿生光合成

肽分子能夠通過分級的超分子自組織構筑具有復雜結構的生物功能體系。自然界中的光合成系統能高效的將太陽能轉化為化學能，受此啟發，如何基于超分子物理化學機制，模擬光合成系統中蛋白質、色素等的組織排布，實現光能捕獲、能量轉化及催化反應等，成為構筑仿生體系并實現光化學合成的關鍵難點。Yan等72-77利用結構簡單的氨基酸/肽及卟啉等生物分子，通過超分子自組裝機制，構筑了系列光功能超分子膠體，用于模擬光合成體系，實現仿生的分子排布及光物理化學過程。這種基于生物分子作用力協同和調控的方法，為仿生體系的設計和創建帶來了新的啟示78。

光合成細菌是自然界中普遍存在、具有原始光能合成功能的生物體，受到綠色硫細菌的捕光單元-綠色體中菌綠素的J-聚集多級排布的啟發，他們以簡單的親水性二肽分子(KK)和卟啉(TPPS)作為超分子組裝基元，基于二元組分的協同自組裝，通過調控分子間的氫鍵、靜電作用等，實現了多尺度、長程有序的纖維束膠體的制備。其中，卟啉分子的J-聚集取向排布，模擬了菌綠素的組織結構，實現了吸收可見光和能量傳遞；原位礦化的二氧化鈦/鉑納米顆粒，實現了電荷分離及電子存儲。因此，在可見光照射下，肽組裝形成的光功能纖維束能夠有效的耦合光能捕獲、電荷分離和光催化反應，實現持續、高效的氫氣產生(圖7)74。

藍細菌是有著悠久歷史的產氧生物，它依靠PS II蛋白質復合物實現了光能利用。Yan等75利用了簡單分子模擬復雜的PS II體系，實現了對催化產氧反應的精準調控。兩親性氨基酸(Fmoc-L-Lys)基于氫鍵及π-π堆積自組裝形成纖維模板，進一步與左旋多巴-醌發生席夫堿反應，形成生物黏附層。在配位作用及靜電作用的共同驅動下，金屬卟啉分子(SnTPyP)和Co3O4納米顆粒組裝至纖維表面的黏附層。其中，金屬卟啉的有序排布模擬了細菌中的捕光單元，醌模擬了產氧光合成系統中活性中心，進而用簡單膠體體系仿生了復雜的產氧光合成作用(圖8)。

圖7 (a)卟啉(TPPS)和二肽分子(KK)自進化成原始光合系統；(b)礦化有TiO2納米顆粒的TPPS/KK纖維束的透射電子顯微鏡圖；(c) TPPS/KK/Pt, TPPS/KK/TiO2和TPPS/KK/TiO2/Pt纖維束時間依賴的氫氣生成74Fig.7 Self-evolution of porphyrin (TPPS) and dipeptide (KK) to a model of a primitive photosystem;(b) TEM image of TPPS/KK fiber bundles mineralized with TiO2 nanoparticles; (c) Time dependence of H2 evolution on TPPS/KK/Pt, TPPS/KK/TiO2, and TPPS/KK/TiO2/Pt fiber bundles 74.

熱能和光能為原始地球中最為普遍的兩種能量模式，一般情況下，“水熱”體系啟迪了多種生命活動。因此，基于前生物分子在火山熱液體系的自進化，Yan等73選擇了胱氨酸(L-Lys)和金屬離子作為前生物分子模型，實現了對其自進化行為的仿生探索。結構表明，L-Lys和Zn2+在分子間的配位作用、氫鍵作用的協同下，能夠實現具有分級組織的微球的形成。此膠體微球能夠同時捕獲紫外光和可見光，催化原始的光合成反應，包括氫氣的產生、NAD+向NADH的轉化、二氧化碳的還原等。

綜上，肽具有靈活可調的分子結構，以及多樣的組裝模態。以肽自組裝的超分子膠體作為光合成的仿生體系具有如下優勢：1)以簡單的生物分子為組裝基元，并結合了超分子組裝的自發性及可控性，實現了復雜的光功能體系的構筑；2)組裝基元間弱相互作用的調控，實現了對膠體多尺度、多結構的組裝調控；3)基于超分子策略，實現多組分整合，增強了構筑基元的功能性。

4.2 腫瘤光治療

基于小分子肽自組裝的超分子膠體具有結構多樣性及功能可調性等優勢，這些光功能膠體包括了膠體顆粒、纖維、凝膠等。肽基膠體被廣泛應用于組織工程、藥物載體、生物模板、腫瘤治療等生物學領域。如，Zhang等79基于離子互補肽構筑了系列水凝膠體系，并研究了細胞在凝膠體系中的增殖、分裂和遷移；Stupp等80設計了一種兩親性肽(KLAKLAK)2，經組裝可形成圓柱狀納米纖維，與單純的分子對比，表現出了高的細胞攝取。

目前，一些惡性腫瘤如胰腺癌、肺癌等五年存活率不高于20%，這主要是由于現有腫瘤治療手段與難治性腫瘤自身特質的不匹配，無法解決腫瘤治療藥物的低靶向性、治療過程的全身性毒副作用及治療后的高復發率等難題81。光治療是一種非侵襲性的、高靶向性的新型腫瘤治療策略，主要依靠光功能膠體在腫瘤部位富集，在光的激發下實現光能向活性氧物種或熱的定向轉化，進而實現腫瘤光動力或光熱消融的效果82。通過調控肽分子間相互作用力，可實現光能的定向轉化。光功能膠體在光動力腫瘤治療(PDT)及光熱腫瘤治療(PTT)領域，得到了廣泛的研究38,83-88。

4.2.1 光動力腫瘤治療

圖8 (a)粘附性的兩親性氨基酸自組裝模板構建產氧光合成細菌模型；(b) Fmoc-L-Lys/DOPA/Co3O4納米纖維的透射電子顯微鏡圖；(c)納米纖維的紫外可見吸收光譜；(d)光催化產氧75Fig.8 (a) Illustration of adhering amphiphilic amino acids-templated self-assembly of a model of oxygen-evolving photosynthetic bacteria; (b) TEM image of Fmoc-L-Lys/DOPA/Co3O4 nanofibers;(c) UV-Vis absorption spectra of the nanofibers; (d) Photocatalytic oxygen evolution 75.

光動力治療過程主要涉及到光敏藥物及多級的光化學反應。在光的輻照下，光敏分子能夠與氧氣反應，產生有毒的活性氧物種?；钚匝跷锓N能夠直接與體內的蛋白質、DNA等物質結合，達到破壞腫瘤細胞的目的89,90。用于光動力的肽自組裝的超分子膠體主要在以下兩個方面發揮作用：維持光敏分子在血液循環中的穩定性及聚集淬滅狀態，降低全身的光敏反應，實現對光敏藥物的有效遞送及腫瘤富集；對腫瘤微環境作出靈敏響應，釋放出光敏藥物，實現特定波長激光激發下的活性氧產生，進而實現對腫瘤的消融91。

肽自組裝的超分子膠體的發展在一定程度上解決了傳統的光敏劑遞送體系普遍存在的載藥量低、組分不明確等弊端，有效的實現了一種或多種光動力藥物的裝載及運輸。Yan等人92使用交聯劑戊二醛(GA)與CDP的自組裝，開發了一種尺寸及結構均可調控的可注射型納米載體，用于實現對光敏藥物Ce6的裝載及腫瘤遞送(圖9a-c)。基于Fmoc-FF及多聚賴氨酸(PLL/PLL-SH)之間的靜電作用的調控，及對Ce6的封裝，他們構筑了一種具有剪切變稀、自愈特性的可注射型光動力抗腫瘤水凝膠體系(圖9d-f)。此超分子膠體體系表現出了高的生物相容性、生物可降解性，以及對光動力藥物的局部交付和持續遞送。更是基于“一次注射、多次治療”的策略，實現了高效的腫瘤光動力治療93。

他們提出的“肽調控光敏劑自組裝”構建超分子膠體的策略，對多種疏水性、親水性光敏藥物均適用。另一個工作中64，CDP和兩親性氨基酸(Fmoc-L-Lys)調控光動力藥物Ce6的超分子組裝，構建了尺寸均一、單分散的納米膠體顆粒(CCNPs和FCNPs，圖10a，b)。膠體表面呈現了較高的表面電勢(約-20 mV)，在顆粒間靜電排斥作用下，能夠維持高穩定性。在此膠體體系中，靜電、疏水和π-π堆疊等多重的弱分子間作用力協同，實現了納米尺度膠體粒子的組裝及血液循環中的穩定性。其載光敏藥物量高(約80%)、尺寸可調，并適用于原卟啉IX(PPIX)、維替泊芬、TPPS、磺酸基鎳酞菁(NiPcS)等多種親疏水性光敏藥物。同時，由于弱相互作用的動態性，在腫瘤微環境刺激下(如酸性pH值、水解酶、疏水環境等)可控實現了膠體顆粒對光敏藥物的響應性釋放。上述這些特點，不僅提高了光敏藥物的生物利用度，減緩全身分布引發的光毒性(圖10c)，在腫瘤的靶向運輸及增強的光動力抗腫瘤治療中也取得了良好的效果(圖10d)。

圖9 (a)基于CDP的可注射型納米載體用于遞送及腫瘤高效PDT治療92；納米載體的(b)平均粒徑及(c)電位92；(d) Fmoc-FF/PLL凝膠能夠無阻礙的通過260 μm的注射器93；Fmoc-FF/PLL-SH凝膠的(e)掃描電子顯微鏡及(f)透射電子顯微鏡圖片93Fig.9 (a) Injectable self-assembled CDP-based nanocarriers for tumor delivery and effective in vivo PDT 92.(b) Average hydrodynamic diameter and (c) zeta potential of various nanocarriers 92.(d) The Fmoc-FF/PLL hydrogel can pass through a 26-gauge (260 μm) needle without clogging 93.(e) SEM and (f) TEM images of Fmoc-FF/PLL-SH hydrogels 93.

圖10 (a) CDP和Ce6自組裝形成納米顆粒(CCNPs)的掃描電子顯微鏡圖、透射電子顯微鏡圖及粒徑分布；(b) Fmoc-L-Lys和Ce6自組裝形成納米顆粒(FCNPs)的掃描電子顯微鏡圖、透射電子顯微鏡圖及粒徑分布；(c) MCF-7荷瘤小鼠靜脈注射FCNPs和游離Ce6后的全身熒光分布；(d)小鼠經不同處理后不同時間點的典型圖片64Fig.10 SEM image, TEM image and size distribution of assembled CCNPs using CDP and Ce6 as building blocks (a) and FCNPs using Fmoc-L-Lys and Ce6 as building blocks (b); (c) Whole body fluorescence images of MCF-7-tumor-bearing nude mice intravenously injected through a tail vein with FCNPs and free Ce6; (d) Representative photos of mice after various treatments at different time point 64.

除多重的弱相互作用下的超分子組裝構筑光動力藥物之外，他們進一步實現了金屬配位作用協同下的膠體藥物的構筑。如，他們選用兩親性氨基酸(Fmoc-L-L)調控MRI造影劑Mn2+及Ce6的共組裝，實現了功能性光動力膠體藥物的制備，并研究了其在MRI、熒光成像指導下的腫瘤診療的應用。此膠體顆粒表現出了智能的谷胱甘肽(GSH)響應，在腫瘤微環境中，Mn2+與GSH競爭協同，實現了光敏藥物的迅速釋放71。再者，他們基于多組分配位自組裝設計了智能肽基超分子光動力金屬納米藥物。具有配位氨基酸(His，H)的肽(Fmoc-H，Z-HF)、Zn2+、Ce6之間的超分子作用包括金屬離子配位、疏水、靜電等的協同，保證了其尺寸的均一性、結構的完整性及膠體的穩定性，有效地延長了光敏藥物的血液循環時間并增強了光敏劑的腫瘤富集效果。特別是，此膠體藥物在pH和氧化還原作用的刺激下，實現了光敏藥物突釋，明顯改善了光動力治療的效果70。

4.2.2 光熱腫瘤治療

基于光敏藥物的光動力的治療最終依賴于膠體對光敏藥物的釋放。而與之相對應的光熱治療，更需要于光敏藥物的分子聚集引發的熒光淬滅。“肽調控協同自組裝”策略不僅對超分子膠體的形貌和結構具備調控性，還對組裝體的能量轉換模式具備調控作用。

圖11 PPP-NDs納米點的(a)粒徑分布及 (b)透射電子顯微鏡圖；(c)伴隨激光照射時間的延長，小鼠腫瘤位置的升溫情況；(d)靜脈注射PPP-NDs后，小鼠隨時間的光聲成像情況；(e)各組的小鼠腫瘤體積變化曲線65Fig.11 (a) DLS size distribution and (b) TEM image of PPP-NDs; (c) Mean temperature of the tumor sites as a function of irradiation time; (d) PA images of mice at various time points after intravenous injection of PPP-NDs;(e) Tumor volume of the mice in different groups 65.

Yan等人65基于TPP-G-FF的超分子自組裝，構筑了超分子光熱納米點(圖11a，b)。在其中，光敏卟啉分子處于高度聚集淬滅狀態，因此，光能轉化為熒光或活性氧物種的途徑幾乎完全被阻斷，使得高效的光能-熱能的轉化變為可能。上述超分子納米點在生理條件下、血液循環中及腫瘤位置均表現出了高的穩定性，并在被動靶向作用下實現了在病灶位置的富集。在激光的激發下，能夠實現腫瘤原位升溫(圖11c)，在實現光聲腫瘤成像的同時(圖11d)，發揮對腫瘤的高效殺傷作用(圖11e)。上述光熱納米點的光熱轉化效率達到54.2%，可以媲美于現發展的多種光熱材料94,95，如硒化銅納米晶(22%)、金納米殼(13%)、納米棒(21%)、黑磷量子點(28.4%)。這種將肽分子與光敏分子通過共價結合為復合分子，再通過分子間的超分子作用協同，構筑光熱膠體粒子的策略，為超分子藥物的設計提供了新的視角。

光熱治療所表現出的高選擇性、無創性、低毒性、低耐藥性等優點，促使其逐漸發展為一種有效的腫瘤治療手段，而系列光熱制劑的更迭，在推進臨床應用的同時，也逐漸暴露出缺點96,97。吸光的聚合物、無機材料等的代謝機制不明導致的安全問題，常用光敏藥物的近紅外吸收缺乏問題等，均無法滿足臨床對腫瘤治療藥物的要求。兼具生物安全性、高近紅外光熱轉化效率的新型光熱制劑亟待開發。Yan等人98選用了具有金屬配位能力的生物小分子肽、內源性且具有近紅外吸收的色素膽綠素及Mn2+作為組裝基元，構筑了光熱納米藥物(圖12a)。其中，膽綠素是血紅蛋白的次級代謝產物，在人體內能夠通過肝膽循環排出體外，具有明確的代謝機制；同時，膽綠素在近紅外區具有明顯的光吸收(圖12b)，但自身無熒光，因此更有潛力將近紅外光能轉化為熱能。金屬離子不僅與肽基元存在配位組裝，與膽綠素也表現出了配位組裝；肽基元與色素分子之間存在著多重的弱相互作用力，包括疏水作用、π-π堆疊、與水分子之間的氫鍵作用。正是因為三組分之間多重的超分子作用的協同，進一步增強了膠體藥物內的分子緊密排布，從而實現了性質穩定(圖12c)、光熱轉化效率高的膠體藥物的構筑(圖12d)。此膠體藥物的組分均具有高的生物安全性，其在小鼠體內的半衰期約為22 h，72 h后重要器官(心、肝、脾、肺、腎)的代謝率約達到100% (圖12e)。在整個光熱治療周期內，小鼠生存狀態未受影響、重要器官未出現損傷。在MRI、光聲成像的指導下(圖12f)，實現了對腫瘤的高效殺傷，并有效的抑制了腫瘤的復發(圖12g，h)。基于此，Yan等99提出了“超分子光熱效應”，即光敏劑超分子組裝所產生的光熱轉換“集群效應”。他們認為，基于多種分子自組裝策略在納米尺度形成的超分子光熱材料，與單分子的光敏劑相比，表現出了更高的膠體穩定性和光穩定性。同時，通過對其熒光的淬滅，提高了光熱轉化效率，并實現了增強的光熱治療效果。對“超分子光熱效應”機制的發現，有助于促進新型光熱材料和藥物的發展。

圖12 (a) ZBMn納米顆粒的掃描電子顯微鏡圖；(b) BV單分子、ZB納米顆粒(pH = 6.82)、ZBMn納米顆粒(pH = 7.04)的紫外吸收圖譜；(c) ZBMn納米顆粒在水及生理培養基內，37 °C孵育48 h后的粒徑變化曲線；(d)激光照射下ZBMn納米顆粒的升降溫循環曲線；(e) ZBMn納米顆粒的體內分布曲線；(f)以ZBMn納米顆粒作為造影劑，荷瘤小鼠的光聲成像(上)及磁共振成像(下)結果；(g)觀察期間內的小鼠腫瘤體積變化曲線；(h)觀察期間內的腫瘤圖片98Fig.12 (a) SEM images of the ZBMn NPs; (b) UV-Vis absorption spectra of BV monomer, ZB NPs (pH = 6.82), and ZBMn NPs (pH = 7.04); (c) DLS size profiles of the ZBMn NPs in water and in physiological culture medium incubated at 37 °C for 48 h; (d) Continuous irradiation-cooling profiles of the ZBMn NPs under laser irradiation; (e) In vivo biodistribution of the ZBMn NPs; (f) PAI (up) and MRI (below) of tumor-bearing mice using the ZBMn NPs as contrast agents; (g) Tumor volume of the mice monitored during the observation period; (h) Images of the tumors during the observation period 98.

5 結論與展望

肽自組裝的超分子膠體結合了超分子化學自組織、自修復、結構及功能可調控等優勢，并整合了肽基膠體優異的生物安全性、可降解性等優點，因而在能源催化、生物醫藥等領域展現出了廣闊的應用前景。本文綜述了如何設計肽基元構筑超分子膠體，從分子層次分析了超分子組裝的物理化學機制，總結了弱相互作用對膠體結構及功能的調控行為，并重點歸納了基于肽自組裝的多種超分子膠體體系在仿生光合成(如光能捕獲、電荷分離等)及腫瘤光治療(光熱治療、光動力治療等)方面的應用。目前肽基超分子膠體的研究已取得了一系列進展，然而基于膠體體系的超分子作用，實現對其智能響應性的調控的研究尚待加強，其在細胞層次及動物層次的應用研究仍需深化。

在肽基超分子膠體的后續研究中，不僅要著重于對分子基元的設計，實現對膠體結構及功能的精準調控；更要關注于基礎理論與實際應用的結合，著重于解決超分子膠體應用過程中的關鍵性問題。如，實現一些具有特殊結構(片層、異面體、多層膜等)的功能膠體體系的構筑，研究其多維尺度上的分子堆積及聚集模式，從分子層次揭示結構與能量的層級遞送的內在關系，發展系列新型光功能材料，用于仿生復雜的酶聯反應、光化學作用、生命活動等；結合多種分子動力學模擬手段，從超分子化學的角度深入探究超分子膠體在生物媒介中的分子識別、遞送、內在化及動態降解過程，改善膠體體系的靶向性、穿透性及響應性；合理利用肽基超分子膠體的動態性及方向性，研究其結構和功能在活體層次中的適應性，探究其在腫瘤免疫逃逸中的關鍵作用，啟發腫瘤治療新思路。同時，在后續的研究中，還應拓展肽基超分子膠體的應用范圍，如基于活性肽構筑系列抗菌材料、抗腫瘤藥物，開發植入型肽基器件(止血材料、納微機器人)等?？傊?，肽基超分子膠體的有序性(多層級、多尺度)、靈活性(結構可控、性能可調)及動態性(穩定性、響應性)等優勢，將為超分子膠體在綠色能源、醫藥健康等多個應用領域拓展全新的空間。