第一作者：赵鹏、赵远峰

通讯作者：郑宜君

通讯单位：上海科技大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202409169

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该论文着重归纳总结了郑宜君团队在“非平衡耗散组装”这一动态系统中的生物功能开发，并展示了该系统在化学燃料驱动下，组装体在手性纳米纤维和中空纳米球之间切换，分别实现成纤维细胞增殖促进和疏水性药物的可控递送。研究将有助于深化对生命体系中物质变化的理解，也将助力合成新的“活性”材料。

背景介绍

不同于平衡的组装体，基于非平衡组装体的耗散自组装（DSA）体系对于精细控制生命体的时空功能至关重要。近年来，科学家在模拟这一过程方面取得了巨大成就。然而，与复杂的生命体系相比，这些人工DSA仍然显得过于简化。其原因在于，不同于目前的合成DSA体系（可溶性前体开始，非平衡组装体为唯一功能组件），生命系统中的平衡态不仅是功能性非平衡组装体的前体，而且还额外参与一些生命活动，这一特性允许以最低的材料成本实现复杂的功能集成。如何高效利用DSA体系中的物质，实现复杂生物功能集成，将有助于深化对生命体系中物质变化的理解，也将有助于推动人造“活性”材料的发展，但这仍然是一个挑战。

该论文提出了一种膜状DSA系统，该系统具有可切换的生物功能，包括用于促进成纤维细胞增殖的手性支架或用于杀死癌细胞的高级药物输送（图1）。相比于目前已经被普遍报道的采用非组装体作为前体的DSA体系；采用纳米纤维作为DSA体系的起点具有具有独特优势。首先，平衡纳米纤维作为手性水凝胶支架促进了成纤维细胞的粘附和增殖——这一过程受到超分子手性的显著影响。其次，纳米纤维作为药物储存器，在添加化学燃料后可以转化为非平衡纳米球载体，用于靶向消灭癌细胞。与非组装前体相比，使用纤维作为起始材料会更稳定，更容易实现多功能。这些优势意味着我们可以构建一个更具仿生性的“生命”系统。最值得注意的是，我们的系统允许在实现治疗目标后将多余的药物回收到平衡纳米纤维中，从而提供一种新型的燃料驱动药物输送载体。

图1.具有可切换生物功能的非平衡耗散自组装体系

研究出发点

利用甲基化二苯甲酰-L-胱氨酸(Me-DBCL)为前体，实现了一种简单、高效的DSA系统。利用该系统成功实现了组装体由纳米纤维到纳米球的转变。Me-DBCL是一种依赖二硫键的已知水凝胶剂，由于存在周期性的氢键和疏水相互作用，它会形成纳米纤维。缠结的纤维网络负责形成物理水凝胶.在加入 N-甲基哌嗪基秋兰姆二硫化物（NMPTDS，一种生物相容性的双硫仑衍生物）后，水凝胶转变为富含纳米球的胶体溶液。在经过一段时间的水解后，胶体溶液可以恢复为水凝胶形式，表明微结构转变完全自发，且可逆性良好（图2）。这种从纳米纤维到纳米球的特征形态转变可以归因于Me-DBCL和NMPTDS 之间的二硫化物-二硫化物交换反应。共聚焦显微镜和透射电子显微镜（TEM)为这一过程提供了有力证明。这一过程可以通过用甲基化二萘酰-L-胱氨酸(Me-DNCL)或Me-DBCD替换Me-DBCL来进一步验证。

图2.染料驱动下非平衡耗散自组装系统的耗散过程

为了深入了解非平衡球形结构，该团队使用了扫描透射电子显微镜(STEM)和能量色散分光计(EDS)。映射分析中的C、N和O元素的电晕分布表明该结构为中空结构（图3）。该研究还进一步探究了球形结构中分子的相互作用。氢核磁共振（1H-NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了Me-BCL-DTC中芳基π-π堆积和酰胺氢键对分子组装的贡献。通过组装体冻干粉末X射线衍射(PXRD)分析与单晶的特征相对应，该团队建立了球形组装体的模型。

图3.球型组装体模型的构建

控制耗散过程的动力学对于保证后续生命活动在达到平衡之前发生至关重要。该工作从多个角度探索了非平衡组装体的时间尺度调控（图4）。非平衡纳米球的寿命随着pH值的降低而增加。提高NMPTDS/Me-DBCL比率也延长了瞬态寿命。氮气流速显著影响寿命，这种现象归因于水解快速去除挥发性副产物，加速了失活反应。前体的设计也会影响耗散过程。使用Me-DNCL创建的非平衡组装体的寿命比使用Me-DBCL制成的组装体更短。采用高效液相色谱(HPLC)和动态光散射(DLS)分析检查了耗散系统的循环稳定性。每次循环后Me-DBCL和Me-BCL-DTC浓度略有下降。该团队证明了DSA系统的可调性。

图4.DSA系统的寿命调控和循环

手性超分子水凝胶由于与天然细胞外基质(ECM)相似且可作为调节细胞行为的多功能工具而引起了广泛的研究兴趣。鉴于Me-DBC具有两个手性中心，其自组装产生的平衡纤维也将表现出手性。该工作采用圆二色性(CD)证明了由于Me-DBCL和Me-DBCD的不对称组装而形成了手性超分子螺旋。这些发现得到了TEM成像的证实。为了进一步评估这些手性组装体对细胞粘附/增殖的影响，Me-DBCL或Me-DBCD纳米纤维被用于培养小鼠成纤维细胞 (L929)。结果表明，Me-DBCL（M-helix）对细胞增殖具有促进作用。相反，与对照组相比Me-DBCD（P-helix）上的细胞增殖受到抑制。定量分析进一步证实超分子手性对细胞增殖的影响（图5）。该团队的研究表面Me-DBCL的M螺旋超分子手性可能有利于与手性细胞膜的立体特异性相互作用，并通过协同作用增加细胞粘附/增殖。通过引入燃料暂时停用这种促进作用的能力为类似于在细胞膜中观察到的生物功能转换提供了可能性。

图5.Me-DBCL/D的手性超分子螺旋对细胞行为的影响

基于水凝胶的局部药物输送系统是一种创新的治疗方法，可直接在无法切除的肿瘤部位释放封装的治疗剂。与全身化疗相比，这种方法具有显著的优势，包括降低全身毒性和在肿瘤部位持续释放高浓度药物，从而有效抑制肿瘤。在这些系统中，需要响应性水凝胶来实现有效的生物分布和药物的控制释放。受此启发，该团队提出了使用非平衡纳米球进行燃料驱动药物释放的概念。该工作通过将疏水性化疗药物阿霉素(DOX)封装在Me-DBCL纳米纤维中建立了药物控制释放模型，通过紫外可见吸收光谱评估体外药物释放动力学。宫颈癌细胞(Hela)被作为模型细胞系与药物释放系统进行了共培养（图6）。结果表明，使用非平衡纳米球的燃料驱动药物释放可以创建可预测的非线性药物释放曲线，从而定制杀死癌细胞。此外，该团队还在药物递送过程中，通过CLSM共定位证明了药物能够逃离溶酶体并进入细胞核。该团队成功构建了有效的药物控制释放模型。

图6.药物控制释放模型的构建

总结与展望

开发了一种基于手性超分子的耗散组装系统。该系统以可切换的方式利用苯甲酰半胱氨酸以最小的材料成本实现复杂的生物功能转换。这包括作为手性支架和药物库的应用，以及用于高效药物递送的应用。

证明了平衡态的M-螺旋超分子手性通过分子和超分子手性的协同作用增强了成纤维细胞的粘附和增殖。在添加化学燃料后，作为药物储存器的功能性纳米纤维暂时转化为非平衡纳米球，然后有效地将药物回收到平衡纳米纤维中，构成了一种新型的化学燃料驱动的药物输送载体。

证明了带正电的非平衡纳态米球可以通过与细胞膜的静电结合有效地输送药物并逃离溶酶体。报道的具有生物活性的DSA释放了人造DSA在生物学中的潜力。特别是可切换的生物活性使得使用最少的材料实现复杂的功能集成成为可能，这将引领“活性”材料的巧妙设计风潮。

课题组介绍

上海科技大学物质科学与技术学院动态生物材料课题组郑宜君教授，在北京大学宛新华教授课题组取得博士学位后，分别在德国马普所聚合物研究中心和莱布尼茨新材料研究所从事博士后研究工作。目前，已经在Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie, Acta Biomater, CCS Chemistry等学术期刊发表多篇论文。课题组主要从事开发模拟细胞外基质的先进动态生物材料，以了解细胞如何与其环境相互作用并深入了解细胞功能的操纵机制。

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202409169