Acc. Chem. Res.综述：超分子水凝胶的手性调控及其生物学效应研究研究

【背景介绍】

手性现象普遍存在于生物和自然界的分子(如L-氨基酸和D-糖)、超分子、微纳米(如DNA、RNA和蛋白质)水平，以及宏观系统（如海螺和植物）。从近半个世纪以来，分子手性在药物设计中的重要性已经被意识到：一种对映体对疾病治疗是有效和安全的，另一种对映体则有可能是无效，甚至有毒的。因为手性分子的这些生物学效应，分子手性一直被认为是生物材料发展的关键因素。

与分子手性相比，超分子手性的重要性及其潜在的生物功能尚未得到充分探讨。然而，由分子基元不对称空间排列而产生的超分子手性(例如DNA中的双螺旋结构)则在生物体内参与了许多重要生理过程。受这些高度复杂的超分子手性结构及其相应的生物学事件的启发，化学、材料科学和生物学的一个挑战和潜在的研究方向是构建具有手性结构可调的超分子组装体。由超分子组装体构建的水凝胶因其理化性能与天然ECM十分类似，是一类很有潜力的生物材料。特别是，与传统聚合物水凝胶不同，超分子水凝胶中分子基元通过非共价键（如氢键、π-π堆积、范德华力或疏水作用）相互作用，由于非共价的形成具有可逆性，因此超分子水凝胶对外场刺激(如温度、溶剂、pH、酶和光)和生化信号有很好的刺激响应，并能为细胞生长提供一个动态的环境。基于此，由手性组装体构筑的超分子水凝为模拟生物系统的结构和功能提供了一个良好选择，这对于理解超分子手性在生物学中的重要作用具有十分重要的意义。

【成果简介】

最近，上海交通大学冯传良教授课题组在Acc. Chem. Res期刊上发表了题为“Supramolecular Hydrogels with Tunable Chirality for Promising Biomedical Applications”的自我综述，介绍了近年来课题组在手性超分子水凝领域的研究进展和结果，并对该领域发展做出展望。在本文中，作者首先介绍了与超分子手性有关的基本概念以及超分子手性在生物系统中的重要性。接着介绍了如何利用外场刺激（如溶剂，温度，pH，金属离子等）调控超分子组装体手性结构。第三部分介绍了超分子手性诱导的各种生物学现象，例如细胞粘附，增殖，分化，凋亡，蛋白质吸附，药物递送和抗菌粘附等。最后介绍了这个快速发展领域的挑战和未来发展的前景。

【图文解读】

1、引言

图一、由分子基元组装构筑的手性超分子水凝胶原理图

2、超分子水凝胶中的手性调控

2.1、溶剂

图二、通过不同外常刺激的调控超分子手性结构的示意图

（a）溶剂诱导的超分子手性反转；

（b）单个手性分子自组装成螺旋纳米纤维，在温度从90℃降至20℃时形成手性水凝胶；

（c）右手(P)螺旋纤维形成于pH7.0以下的溶液中，同时，左手(M)螺旋纤维形成于pH7.0以上的溶液中；

（d）与不同金属离子共组装的L-氨基酸衍生物(LPF和LPPG)显示出不同的手性纳米结构。

2.2、温度

2.3、pH值

2.4、金属离子

2.5、其它因素

3、超分子水凝胶的生物医学应用

3.1、细胞粘附和增殖

图三、用苯丙氨酸基凝胶的两个对映体(LPFEG和DPFEG)制备了用于三维(3D)细胞培养的手性水凝胶体系

（a）手性超分子水凝胶中三维细胞培养的图解；

（b）左柱：培养3天后L(D)PFEG水凝胶中HUVECs的荧光显微镜图像。活细胞是绿色的，死细胞是红色的。右柱：手性水凝胶中不同细胞粘附和增殖的示意图；

（c）在L(D)PFEG水凝胶中培养HUVECs的细胞增殖统计，直到第9天；

（d）BA、BE和BP的分子结构；

（e）分子手性和超分子手性对细胞粘附的协同影响作用。

3.2、细胞分化

图四、通过混合细胞悬液和L(D)PFEG凝胶基元的二甲基亚砜(DMSO)溶液，间充质干细胞(MSCs)注入三维水凝胶中

（a）纳米纤维手性结构诱导干细胞分化的原理图；

（b）RT-qPCR量化表明，在LPFEG水凝胶(简称L)中，成骨标记物(RUNX2, OPN, 和BMP2)的上调最大，而在DPFEG水凝胶(简称D)中，（PPARG 和ADN)上调最大；

（c）具有代表性的μCT图像：MSC/水凝胶植入后大鼠颅缺损中的骨再生；

（d）新形成骨组织的总体骨体积评价；

（e）新形成骨组织的骨密度(BMD)评价；

（f）RT-qPCR结果提示Itgα5β1粘附抑制导致FAK、ERK和YAP的下调；

（g）纳米纤维手性诱导的细胞分化和基因表达。

3.3、细胞凋亡

图五、由L-或D-肽衍生物自组装的酶促手性纳米纤维，具有诱导癌细胞凋亡的能力

（a）组装基元前驱体(1P)和组装基元单体（1）的分子结构；

（b）酶诱导构建的纳米纤维靶向作用于线粒体并触发癌细胞凋亡的原理图。

3.4、蛋白质吸收

图六、使用纤维连接蛋白(FN)作为蛋白质模型进行分子动态(MD)模拟

（a）L(D)PFEG 和FnIII9-10蛋白结合的分子动力学模拟；

（b）平衡状态下L(D)PFEG 和FnIII9-10的结合结构；

（c）LPFEG与FnIII9-10之间的结合能低于DPFEG与FNIII9-10之间的结合能；

（d）石英晶体微天平(QCM)实验表征了人血清白蛋白(HSA)与DPLG和LPLG组装之间的相互作用；

（e）HSA在不同手性的凝胶表面上显示出不同的蛋白质粘附。

3.5、抗菌粘附

3.6、药物释放

图七、在体内表现出药物的控制释放

（a）由d-氨基酸（蓝色）和甲氧萘丙酸(NPX，红色)组成的凝胶基元化学结构；

（b）(1) Npx-ff,(2) Npx-ffy, (3) Npx-ffk, (4) Npx-ffky, (5) ffk(Npx), and (6) ffk(Npx)y水凝胶内部的TEM图像。

3.7、超分子手性引起的圆极化发光（CPL）

图八、通过共组装来调节CPL的手性

（a）基于LPF和香豆素衍生物(G)共组装的具有CPL特性的手性结构，可通过改变香豆素衍生物或将金属离子加入共组装来调节CPL；

（b）LPF/G1的CPL光谱(激发波长：320nm)；

（c）LPF和1NA/2/NA共组装的示意图；

（d）LPF-1NA/2NA的CPL光谱(激发波长：325nm)。

【小结】

尽管手性超分子水凝胶取得了重大进展，但仍有一些挑战有待解决。首先，超分子凝胶基元的分子设计还处于早期阶段，因为手性组装的机理尚未清楚地揭示，很难准确预测分子的组装模式和超分子结构的手性。特别是，在原始凝胶上修饰生物活性基团，往往扰乱原有分子间相互作用的平衡，导致超分子组装结构的解体。为了更好地探索手性水凝胶，利用分子动力学(MD)模拟和时间依赖密度泛函理论(TDDFT)计算预测组装体的超分子手性是一个很有前途的方向。其中，对超螺旋结构的预测更具挑战性，因为超螺旋的形成是更为复杂，包括一维(1D)手性纤维的组装和从低级结构到高阶螺旋结构的转变。其次，较弱的力学性能是手性超分子水凝胶需要解决的另一个关键问题，这限制了它们的进一步实际应用（例如注射组织再生、模拟软组织和体外长期细胞培养）。根据需要调整这些手性水凝胶的力学性能和降解时间是非常重要的。此外，将细胞封装到三维手性水凝胶中进行三维细胞培养仍然是一个挑战。虽然一些分子可以在超分子尺度上自组装成手性纤维，但要形成由手性纤维支架组成的宏观手性水凝胶仍较为困难。

进一步的发展不仅需要着眼与手性水凝胶的构筑，还需要关注手性结构的原位调控，这为动态研究细胞外手性微环境的生物学效应提供了一种可能的途径。它可以揭示超分子螺旋结构(例如，双螺旋DNA和α-螺旋)在生命系统中的生理功能。手性效应是生物系统的基础，因此超分子手性水凝胶发展将为手性生物材料在细胞培养、组织工程和再生医学（如干细胞定向分化）中的应用开辟新的机会。

该论文第一作者为上海交通大学助理教授窦晓秋，共同第一作者为上海交通大学博士生Nabila Mehwish。冯传良教授为通讯作者，上海交通大学为论文唯一单位。（冯传良教授课题组长期从事手性水凝胶的构筑、调控及生物学效应研究，发表的相关论文有：Angew. Chem. Int. Ed.2014, 53, 7789.;ACS Nano2015, 9, 10664,;Angew. Chem. Int.2016, 55, 2411.;Chem. Sci.2017, 8, 1769.;Adv. Mater.2017, 29, 1604062.;Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 5655.;Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 6475.;Chem. Eur. J.2018, 24, 1509.;Adv. Mater.2019, 31, 1900582.;ACS Nano2019, 13, 7281.;ACS Appl. Mater. Interfaces2019, 11, 38568.Nanoscale2019, 11, 14210.等）

文献链接：Supramolecular Hydrogels with Tunable Chirality for Promising Biomedical Applications（Acc. Chem. Res.2020, DOI:https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00012）

本文由我亦是行人编译。

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