北理工課題組在相分離靶向多肽自適應識別與精準調控方面取得進展
發(fā)布日期:2025-12-04 供稿:化學與化工學院 攝影:化學與化工學院
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近日,北京理工大學化學與化工學院王蔚芝課題組在靶向多肽識別與分析方面取得進展。通過分子設計和篩選開發(fā)了一種能夠精準靶向前列腺膜抗原PSMA并通過液液相分離自適應PSMA結構的靶向多肽及偶聯(lián)藥物體系(圖1)。
相關研究成果以“PSMA-Triggered Phase Separation of Peptide-Drug Conjugates Enables Zinc-Dependent Tumor Inhibition”為題發(fā)表于國際頂級期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》。北京理工大學化學與化工學院博士研究生韓愷和碩士生張鍵(已畢業(yè),現(xiàn)就職于北方華創(chuàng))是文章的共同第一作者,王蔚芝教授是論文的通訊作者。此項研究得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金等項目的資助及北京理工大學分析測試中心的支持。北京理工大學馬兵老師在多肽偶聯(lián)藥物的藥理機制解析方面給予了大力支持,中國散裂中子源柯于斌研究員在小角中子散射測試方面給予了大力支持。
在復雜體系中構筑高選擇性識別界面的關鍵科學問題之一是:如何根據(jù)靶標及其微環(huán)境的動態(tài)變化,實現(xiàn)界面的快速自適應,從而達到穩(wěn)定且長效的親和識別。天然體系中的蛋白質分子可在特定條件下通過液-液相分離(LLPS)形成富溶質相從而影響生物分子相互作用及精準調控。受到天然LLPS現(xiàn)象的啟發(fā),本研究對人工合成的靶向肽庫進行理性設計與篩選,獲得了具備LLPS能力的靶向多肽,無需經(jīng)歷傳統(tǒng)組裝介導的識別中重新成核和生長過程,可快速自適應復雜體系,實現(xiàn)長效親和識別。具體而言,基于本課題組構建的微流控陣列芯片及高通量篩選儀器系統(tǒng),通過多輪篩選,得到具有靶向識別能力、組裝界面形成能力和液液相分離潛力的高親和多肽LE。以前列腺腫瘤復雜環(huán)境為模型,通過偶聯(lián)前列腺特異性膜抗原(PSMA)抑制劑HOA構筑靶向多肽識別與調控體系LE-HOA。LE-HOA在無靶標時可組裝成納米膠束并在體內穩(wěn)定循環(huán);在靶標PSMA的誘導下,LE-HOA通過LLPS過程形成生物分子凝聚體,創(chuàng)新地實現(xiàn)了識別位點“解而不散”,即時重構形成高選擇性納米纖維的識別界面,實現(xiàn)自適應快速長效分子識別(圖1)。

圖1 液液相分離靶向多肽的設計
綜合考慮多肽的級聯(lián)識別與自適應重構需求,構建了基于全天然氨基酸的十四肽高通量(108)組合分子庫。C端谷氨酸(E)和賴氨酸(K)為親水識別基團,以賦予特異性結合PSMA的能力。通過引入亮氨酸(L)、色氨酸(W)和組氨酸(H)調節(jié)疏水-親水平衡以增強LLPS潛力,同時引入蘇氨酸(T)和谷氨酰胺(Q)以增強氫鍵相互作用并促進肽鏈的自組裝能力。通過三輪篩選(細胞靶向篩選,微流控陣列液-液相分離潛能篩選和計算機輔助篩選),最終得到具有靶向PSMA和液液相分離潛能的多肽LE。LE處于兩種自組裝形貌的臨界狀態(tài),表明其不僅容易發(fā)生形貌轉變,還可能在轉變過程中經(jīng)歷亞穩(wěn)且非解離的中間態(tài),有望在生理環(huán)境下經(jīng)歷LLPS過程(圖2)。

圖2 肽庫設計與三輪篩選
通過表面等離子體共振檢測和分子對接驗證了多肽LE對PSMA的識別能力,在細胞層面觀察到其可以特異性地靶向PSMA+的LNCaP細胞。進一步將PSMA抑制劑HOA與多肽LE偶聯(lián),得到LE-HOA。圓二色譜和紅外光譜證明LE-HOA的二級結構并未發(fā)生改變,其仍以LE的組裝機制自組裝形成納米膠束。通過電化學和熒光檢測驗證了LE-HOA可抑制PSMA酶活。同時,由于HOA處于納米膠束的疏水核心中,可以避免LE-HOA在循環(huán)過程中非特異性結合。此外,在細胞層面驗證了LE-HOA對PSMA+細胞LNCaP的抑制效果。首先,通過流式細胞術分析證實LE-HOA誘導LNCaP細胞凋亡。隨后,通過細胞膜染料染色可視化LNCaP細胞的活性,結果表明,隨著LE-HOA濃度的增加,其可顯著影響LNCaP細胞的存活并抑制其增殖。

圖3 LE-HOA的制備和功能驗證
進一步驗證了LE-HOA的級聯(lián)功能。首先,在循環(huán)過程其可維持納米膠束的組裝體形態(tài),避免HOA的非特異性結合。其次,在靶標PSMA的誘導下,LE-HOA會發(fā)生解組裝并以單體的形式存在。但由于多種非共價相互作用的介導,LE-HOA處于一種獨特的“解而不散”的狀態(tài),并通過LLPS過程在靶細胞附近形成富溶質的微液滴。最后,LE-HOA在微液滴中快速適應組裝并重構成納米纖維。這一過程一方面將抑制分子HOA暴露出來,另一方面可以快速拓展識別界面,實現(xiàn)LE-HOA在腫瘤細胞的長效駐留。通過小角中子散射(SANS)進一步驗證了LE-HOA的上述性能。

圖4 PSMA誘導的自適應識別和LLPS介導的快速重構
北京理工大學王蔚芝課題組長期從事靶向多肽的設計、篩選、組裝和生物醫(yī)學應用研究。在前序工作的基礎上,課題組在靶向多肽識別分子的可控性和生理體系適應性方面進行了深入和延續(xù)的研究,提出了本工作相關的分子設計與構筑策略。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202518980。
PSMA-Triggered Phase Separation of Peptide-Drug Conjugates Enables Zinc-Dependent Tumor Inhibition
Kai Han+, Jian Zhang+, Xiaolu Miao, Yao Yu, Limin Zhang, Jinge Zhao, Xin Wang, Qinsong Wei, Yongming Li, Yubin Ke, Bing Ma, Weizhi Wang*
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