摘 要： 糖肽高分子材料是一類由多肽和糖類化合物構(gòu)成的高分子材料。糖肽高分子材料具有與天然糖肽/糖蛋白類似的化學(xué)組成，能夠在一定程度上模擬天然糖肽/糖蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。本文總結(jié)了糖肽高分子材料的合成方法、材料設(shè)計(jì)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)綜述了糖肽高分子材料在糖肽樹(shù)形分子、自組裝糖肽和糖肽聚合物方面的材料設(shè)計(jì)，以及糖肽高分子材料在抗菌、抗腫瘤疫苗、仿生支架、組織及軟骨修復(fù)方面的應(yīng)用。最后，對(duì)糖肽高分子材料的發(fā)展與前景進(jìn)行了展望。
多肽是由各種氨基酸通過(guò)肽鍵按照一定順序共價(jià)連接而成的，其分子量介于氨基酸與蛋白質(zhì)之間。由于多肽源自于生物體內(nèi)，因此多肽材料具有良好的生物相容性和可降解性[1, 2]。通過(guò)調(diào)控多肽分子中氨基酸的種類、數(shù)量和順序，或在氨基酸上修飾各種不同的官能團(tuán)，可以實(shí)現(xiàn)多肽的自組裝。多肽自組裝材料比多肽本身具有更高的穩(wěn)定性和更好的治療、靶向等性能，廣泛應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3-5]。本課題組發(fā)展了一系列具有自組裝性能的多肽材料，在癌癥診斷及治療、細(xì)菌感染診斷及治療等方面具有廣泛的應(yīng)用[6-8]。
糖類是存在于自然界的一類主要生物分子，結(jié)構(gòu)極為多樣和復(fù)雜，具有從能源到生物結(jié)構(gòu)多方面的功能[9, 10]。糖對(duì)蛋白質(zhì)的修飾是蛋白質(zhì)翻譯后的主要修飾之一，對(duì)多種關(guān)鍵生物過(guò)程（包括蛋白質(zhì)折疊、運(yùn)輸、細(xì)胞黏附、細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞分化等）至關(guān)重要[11-13]。蛋白質(zhì)的異常糖基化會(huì)擾亂細(xì)胞內(nèi)識(shí)別，與包括癌癥和自身免疫性疾病在內(nèi)的許多嚴(yán)重疾病有關(guān)。免疫系統(tǒng)主要依靠細(xì)胞免疫來(lái)消除病毒和腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)感染，但是此類細(xì)胞可能利用異常糖基化結(jié)構(gòu)逃避免疫系統(tǒng)的監(jiān)視和識(shí)別[14, 15]。病毒也利用宿主的糖基化機(jī)制組裝其自身的包膜糖蛋白，從而有助于避免免疫檢測(cè)[16]。在自身免疫性疾病類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和系統(tǒng)性紅斑狼瘡中，免疫球蛋白G（IgG）糖型發(fā)生顯著變化。在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎中，IgG聚集的半乳糖基糖型被甘露糖結(jié)合凝集素特異性識(shí)別，從而可能不適當(dāng)激活先天免疫系統(tǒng)[17]。此外，在腫瘤的發(fā)展過(guò)程中，細(xì)胞表面糖類的分布有顯著變化，似乎與轉(zhuǎn)移的狀態(tài)有關(guān)。糖類豐富的生物學(xué)特性在其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究和治療發(fā)展方面引起了越來(lái)越多的關(guān)注[18-21]。然而，天然糖類的復(fù)雜性和異質(zhì)性給其生產(chǎn)和表征帶來(lái)了巨大困難，對(duì)進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修飾、機(jī)理研究和藥物應(yīng)用造成了極大限制。為了充分利用糖類的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)規(guī)避天然材料的缺點(diǎn)，人們?cè)谥苽渚|(zhì)低聚糖和多糖方面進(jìn)行了諸多努力[22-24]。
糖肽高分子材料是糖基基團(tuán)通過(guò)共價(jià)鍵與多肽相連所形成的一類分子。糖肽樹(shù)形分子是一種典型的支狀糖肽高分子材料，一般為納米尺度，通常由3個(gè)部分組成：樹(shù)形分子的核、分支單元和末端基團(tuán)。糖肽樹(shù)形分子的核心位于分子最里層；有著精確設(shè)計(jì)的氨基酸序列和結(jié)構(gòu)的分支單元在核和分子表面之間；一般由氨基酸組成的末端基團(tuán)位于分子表面，可以修飾不同糖基基團(tuán)而產(chǎn)生不同生物學(xué)應(yīng)用。末端具有的大量基團(tuán)可以進(jìn)行多位點(diǎn)糖基化修飾，在糖基與受體相互作用中發(fā)揮多價(jià)效應(yīng)。肽類骨架因具有易獲得性、高化學(xué)多樣性和良好的生物相容性等優(yōu)勢(shì)而受到了廣泛的關(guān)注。更重要的是，通過(guò)自組裝的方式將糖類以聚集方式呈現(xiàn)給相關(guān)受體，可實(shí)現(xiàn)多價(jià)相互作用[25-28]。因此，自組裝糖肽高分子材料也是一個(gè)重要的研究方向。多肽分子間可以通過(guò)氫鍵、靜電相互作用、π-π 堆積、疏水作用等分子間作用力自組裝形成不同的超分子結(jié)構(gòu)[29-31]。糖對(duì)多肽的修飾不僅賦予了多肽許多生物功能，也會(huì)改變多肽的結(jié)構(gòu)。自組裝糖肽高分子材料中各種糖基基團(tuán)的加入拓寬了糖肽分子在自組裝時(shí)的氫鍵作用，增加了自組裝糖肽高分子材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，拓寬了多肽自組裝的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
本文綜述了糖肽材料的化學(xué)合成、設(shè)計(jì)策略及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用（圖1），重點(diǎn)介紹了糖肽納米材料的構(gòu)建策略，并對(duì)糖肽領(lǐng)域的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。
1 糖肽材料的化學(xué)合成
1.1 糖基化氨基酸的合成
幾乎所有天然形成的糖苷鍵都可分為2大類：N-糖苷類（與天冬酰胺側(cè)鏈相連）與O-糖苷類（與絲氨酸（Ser）、蘇氨酸（Thr）和酪氨酸（Tyr）的側(cè)鏈相連，也有少見(jiàn)的與羥賴氨酸（Hyl）和羥脯氨的酸側(cè)鏈相連）。目前，最常觀察到的多肽/蛋白糖基化位點(diǎn)是天冬酰胺（Asn）側(cè)鏈的酰胺氮。這是在特定的序列Asn-X-Thr/Ser上完成的，其中X是除脯氨酸以外的任何氨基酸。下一個(gè)位置的Ser或Thr殘基對(duì)糖基化是絕對(duì)必要的。在自然產(chǎn)生的O-糖蛋白中，最豐富的碳水化合物是N-乙酰-D-半乳糖胺（N-Acetyl-D-galactosamine，GalNAc）殘基與絲氨酸或蘇氨酸結(jié)合的α-O-糖苷，因此，大量的工作致力于建立適當(dāng)保護(hù)的α-GalNAc-Thr/Ser構(gòu)建塊。由于人們普遍認(rèn)為β-O-N-乙酰氨基葡萄糖（N-Acetyl-D-Glucosamine，GlcNAc）-Ser/Thr部分在蛋白質(zhì)的瞬時(shí)修飾中具有調(diào)控作用，因此人們也對(duì)β-O-GlcNAc-Ser/Thr部分的合成給予了很多關(guān)注。此外，α-甘露糖（Mannose，Man）-Thr/Ser、α-半乳糖（galactose，Gal）-Hyl以及其他O-糖苷化氨基酸也逐漸引起人們的關(guān)注。
1.2 糖肽的合成
糖肽化學(xué)合成的一個(gè)關(guān)鍵步驟是將糖基與多肽共價(jià)偶聯(lián)。為了達(dá)到這一目的，可以考慮兩種方法：一個(gè)是對(duì)適當(dāng)保護(hù)的全長(zhǎng)多肽進(jìn)行直接糖基化；另一個(gè)是使用預(yù)先形成的糖基化氨基酸構(gòu)建塊逐步合成多肽主鏈。直接糖基化的優(yōu)點(diǎn)是可以快速獲得不同糖肽結(jié)構(gòu)。然而，在化學(xué)糖基化常用的條件下，側(cè)鏈羥基的反應(yīng)活性低且肽的溶解度低，直接O-糖基化常常受到產(chǎn)率低的困擾。用糖胺和含有天冬氨酸的肽直接縮合獲得N-糖基化肽的方法又有嚴(yán)重的副反應(yīng)[32]。
目前，最常用的糖肽類合成方法是采用預(yù)先形成的糖基化氨基酸模塊進(jìn)行逐步多肽固相合成（Solid Phase Peptide Synthesis，SPPS）。然而，糖基給固相糖肽合成帶來(lái)了復(fù)雜性和不確定性，許多在SPPS中常用的反應(yīng)方法和條件并不適用于糖肽的制備[33, 34]。因此，在選擇保護(hù)基團(tuán)時(shí)必須特別小心。如O-糖苷鍵是酸不穩(wěn)定的，但在強(qiáng)堿條件下又會(huì)發(fā)生β-消除，強(qiáng)堿也會(huì)使肽外消旋。目前，使用乙酰酯作為寡糖羥基的保護(hù)，9-芴基甲氧基羰基（Fmoc）作為氨基酸α-氨基的保護(hù)，N,N'-二異丙基碳二亞胺（DIC）/ 1-羥基苯并三唑（HOBt）、1H-苯并三唑-1-基氧三吡咯烷基六氟磷酸鹽（PyBOP）/HOBt、苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸鹽（HBTU）/HOBt、O-（7-氮雜苯并三唑-1-基）-N,N,N′,N′-四甲基脲六氟磷酸酯（HATU）/ N-羥基-7-氮雜苯并三氮（HOAt）下等作為偶聯(lián)劑已成為固相糖肽合成的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)[35-38]。在Fmoc合成方法中，在溫和的堿性條件（如哌啶和嗎啉）下可以脫去α-氨基的保護(hù)基，而不影響糖肽中的O-糖苷鍵[39, 40]。然而，在叔丁氧羰基（Boc）/芐基（benzyl）方案中，α-氨基保護(hù)基的脫去是在強(qiáng)酸三氟乙酸（TFA）條件下完成的，這種強(qiáng)酸性條件容易導(dǎo)致糖苷鍵的不穩(wěn)定。O-乙�；蚈-苯甲�；俏娮踊鶊F(tuán)，在TFA裂解多肽的過(guò)程中可以穩(wěn)定糖苷鍵。甲醇鈉的甲醇或水合肼溶液可以去除乙�；鵞41]。鄰苯甲酸鹽法所需要的苛刻條件使得它們不太適合用于糖肽的合成[42]。
1.3 高分子糖肽的合成
常規(guī)的SPPS合成僅限于50個(gè)氨基酸以內(nèi)，因此天然化學(xué)連接（Native Chemical Ligation，NCL）是合成更長(zhǎng)肽鏈的有效方法[43]。NCL是一種化學(xué)選擇性反應(yīng)，在生理pH下，1個(gè)N端半胱氨酸殘基和1個(gè)C端硫酯可以選擇性反應(yīng)（圖2）。該方法是Kent課題組[44]在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，此后不斷改進(jìn)以提高其實(shí)用性。在NCL的第一步，C端硫酯與N端半胱氨酸殘基的巰基之間發(fā)生可逆反式硫代酯化反應(yīng)。結(jié)合后的單肽硫酯會(huì)自發(fā)地發(fā)生快速且不可逆的分子內(nèi)S→N移動(dòng)，從而在連接處產(chǎn)生熱力學(xué)穩(wěn)定的天然酰胺鍵。NCL特定地發(fā)生在N端半胱氨酸殘基上，而與其他的內(nèi)部半胱氨酸殘基無(wú)關(guān)。由于這種連接方法與糖和多肽兼容，因此可以連接糖蛋白結(jié)構(gòu)。由于硫酯固有的堿敏感性，多肽硫酯的制備最初依賴于Boc策略[45, 46]。Fmoc策略在肽合成中的廣泛應(yīng)用以及糖肽的酸敏感性促進(jìn)了多肽硫酯制備新方法的發(fā)展[47]。
2 糖肽高分子材料
2.1 糖肽樹(shù)形分子
單個(gè)糖和蛋白質(zhì)之間的相互作用通常很弱，多個(gè)糖配體與受體結(jié)合能夠增強(qiáng)這種相互作用，這種現(xiàn)象稱為“簇效應(yīng)”或“多價(jià)效應(yīng)”。包括肽類樹(shù)形分子在內(nèi)的支狀多肽通過(guò)偶聯(lián)糖形成的支狀糖肽可以利用多價(jià)態(tài)簇效應(yīng)增強(qiáng)糖與蛋白的相互作用。樹(shù)形分子是一種高分支聚合物，具有明確且多分散性的核-殼納米結(jié)構(gòu)，分支單元圍繞核心單元逐代合成，廣泛應(yīng)用于多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[48-52]。由于樹(shù)形分子的高度分支、多價(jià)性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)，糖肽類樹(shù)形分子是用作針對(duì)傳染病和癌癥的免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)劑疫苗以及基于樹(shù)形分子的抗感染和抗炎藥的理想材料。
糖肽樹(shù)形分子可以根據(jù)具體要求進(jìn)行多種設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)分類示于圖3。糖肽樹(shù)形分子的核心部分可以是氨基酸序列，也可以連接常見(jiàn)的疏水烷基鏈，形成兩親性樹(shù)形分子。此外，核心支架也可以使用其他樹(shù)形分子，如經(jīng)典的聚酰胺-胺型（Polyamindoamine，PAMAM）樹(shù)形分子。重復(fù)的分支單元通常是一些優(yōu)化的氨基酸序列，一般用賴氨酸進(jìn)行分支，隨著分支的增加，代數(shù)不斷增加。末端基團(tuán)的數(shù)目隨著代數(shù)的增加而指數(shù)增加，并且樹(shù)形分子的總密度也增加，但是樹(shù)形分子的柔性和所有官能團(tuán)的可及性降低。豐富的末端基團(tuán)可以修飾大量的糖基團(tuán)，這些糖基團(tuán)可以是相同的糖，也可以是不同的糖。在一定程度上，代數(shù)的增加使糖基團(tuán)的數(shù)目增加，增強(qiáng)了糖簇與蛋白的相互作用，但是由于官能團(tuán)可及性隨代數(shù)的增加而降低，樹(shù)形分子的代數(shù)不能無(wú)限增加。根據(jù)糖肽樹(shù)形分子具體的結(jié)構(gòu)，又可以分為兩親性、啞鈴形和球形等。
Reymond課題組[53-55]設(shè)計(jì)了具有4個(gè)末端的G2糖肽樹(shù)形分子，末端連接半乳糖或巖藻糖，分別用于靶向銅綠假單胞菌的LecA和LecB凝集素。具有4個(gè)末端的糖肽樹(shù)形分子FD2、D-FD2、GalAG2和GalBG2能有效阻斷銅綠假單胞菌生物膜的形成并誘導(dǎo)生物膜在體外的分散，2個(gè)末端的糖肽樹(shù)形分子或單個(gè)末端的糖肽分子對(duì)凝集素的結(jié)合力要弱得多，而8個(gè)末端的糖肽樹(shù)形分子與凝集素的結(jié)合力增加，但再增加至16個(gè)末端時(shí)，平均到每個(gè)半乳糖基的結(jié)合效力反而降低�？赡苁怯捎谀豅ecA或LecB為四聚體結(jié)構(gòu)，每個(gè)單體有1個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，1個(gè)LecA或LecB有4個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，大致排列在1個(gè)矩形的4個(gè)頂點(diǎn)，當(dāng)設(shè)計(jì)的糖肽樹(shù)形分子糖基之間的間距與四聚體內(nèi)結(jié)合位點(diǎn)的距離一致或能夠橋接不同的四聚體時(shí)，理論上可以最大限度地發(fā)揮多價(jià)作用對(duì)識(shí)別和結(jié)合過(guò)程的影響，并確保與宿主聚糖結(jié)合的最佳競(jìng)爭(zhēng)，提高化合物的治療效率。當(dāng)進(jìn)一步增加糖肽樹(shù)形分子端基數(shù)目時(shí)，可能出現(xiàn)由于空間位阻等因素?zé)o法與凝集素結(jié)合位點(diǎn)相互作用的糖基，使糖肽樹(shù)形分子與凝集素的結(jié)合力不隨代數(shù)線性增加。當(dāng)將分支處的賴氨酸用更緊湊的2，3-二氨基丙酸替代時(shí)，結(jié)合力明顯減弱，可能是由于2，3-二氨基丙酸的2個(gè)氨基之間比賴氨酸少了3個(gè)碳原子的距離。一般認(rèn)為，較長(zhǎng)的碳鏈會(huì)使分子柔性增加且更加靈活；較短的碳鏈會(huì)使分子柔性降低。當(dāng)將末端換成同時(shí)含有半乳糖和巖藻糖的雜糖簇時(shí)，結(jié)合力比同樣的單糖簇稍弱。Bouvier課題組[56]進(jìn)一步應(yīng)用MARTINI粗粒度模型和長(zhǎng)時(shí)間的分子動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)探索氨基酸序列對(duì)半乳糖官能化八價(jià)肽樹(shù)形大分子動(dòng)力學(xué)以及它們與半乳糖特異性凝集素的結(jié)合能力的影響，圖4為多價(jià)糖肽樹(shù)形分子的二維示意圖。
除了使用肽作為糖基樹(shù)形分子的骨架，也可以使用其他樹(shù)形分子作為支架，形成扇形、啞鈴形、球形以及其他形態(tài)的糖肽樹(shù)形分子，如PAMAM樹(shù)形分子、具有環(huán)狀核心區(qū)域選擇性可尋址功能化模板（Regioselectively Addressable Functionalized Templates，RAFTs）以及類似環(huán)狀結(jié)構(gòu)的樹(shù)形分子[57-59]。
2.2 自組裝糖肽材料
由于多價(jià)親合力效應(yīng)，固定在多價(jià)骨架中的糖基通常表現(xiàn)出比可溶性單價(jià)糖基高得多的蛋白質(zhì)結(jié)合親和力。當(dāng)多價(jià)糖基化合物在單個(gè)蛋白質(zhì)上占據(jù)多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)螯合效應(yīng)。受簇狀糖苷效應(yīng)的啟發(fā)，已開(kāi)發(fā)出不同的支架來(lái)設(shè)計(jì)具有多價(jià)糖基配體的結(jié)構(gòu)，然而，由于較為復(fù)雜的多價(jià)結(jié)構(gòu)和合成程序，仍需要設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)制備多價(jià)糖基簇。近年來(lái)，隨著超分子化學(xué)和自組裝多肽的發(fā)展，自組裝糖肽為多價(jià)糖基配體設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)便且可替代的方法。自組裝糖肽不僅具有容易合成、分子結(jié)構(gòu)明確以及固有的生物相容性和生物降解性等諸多優(yōu)勢(shì)，還可以模擬自然界中的自組裝過(guò)程，以形成具有納米級(jí)精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)或功能材料。在多肽分子的氨基酸上修飾糖基基團(tuán)，能夠構(gòu)建具有不同性能的糖肽類超分子自組裝材料（圖5）。
對(duì)于自組裝糖肽，一種簡(jiǎn)單有效的方法是在自組裝多肽序列的末端共價(jià)修飾糖基團(tuán)，該修飾一般不會(huì)影響多肽原有的自組裝功能，修飾方法主要為點(diǎn)擊反應(yīng)。本課題組[8]設(shè)計(jì)了甘露糖通過(guò)點(diǎn)擊反應(yīng)共價(jià)修飾五肽序列酪氨酸（Tyr）-纈氨酸（Val）-組氨酸（His）-天冬氨酸（Asp）-半胱氨酸（Cys）的糖肽，甘露糖基共價(jià)修飾在五肽的N末端。Stupp課題組[26]設(shè)計(jì)了單糖基通過(guò)點(diǎn)擊反應(yīng)與肽兩親體末端進(jìn)行共價(jià)修飾的糖肽材料，可以自組裝形成超分子硫酸化糖肽納米結(jié)構(gòu)，糖基與相應(yīng)蛋白的結(jié)合不會(huì)破壞納米結(jié)構(gòu)或其內(nèi)部β-sheet骨架。這種在末端或側(cè)鏈修飾糖基的方法一般不會(huì)影響多肽原有的自組裝功能。Hudalla課題組[60, 61]通過(guò)在Q11（QQKFQFQFEQQ）的N端修飾N-乙酰氨基葡萄糖（N-Acetyl-D-Glucosamine，GlcNAc）得到糖肽GQ11，通過(guò)將Q11和GQ11以不同物質(zhì)的量之比自組裝形成β-sheet納米纖維，成功改變了自組裝體表面的糖基密度。糖基在自組裝體表面暴露，不僅使糖基密度的調(diào)節(jié)變得簡(jiǎn)單，而且很容易受到外部環(huán)境中各種因素的調(diào)節(jié)而改變糖基結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控糖肽自組裝體結(jié)構(gòu)的目的。陳國(guó)頌課題組[62]設(shè)計(jì)的糖肽分子在水中自組裝形成納米纖維后，糖基暴露在表面，在糖基轉(zhuǎn)移酶KfoC或PmHS2的作用下，可以原位高效地形成糖苷鍵，生成新的糖肽類兩親分子GalNAcGlcA-YF和GlcNAcGlcA-YF，組裝形態(tài)從納米纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米顆粒（圖6）。
此外，在多肽序列中引入含有側(cè)鏈官能團(tuán)的氨基酸作為糖基修飾位點(diǎn)，將糖基通過(guò)側(cè)鏈與多肽共價(jià)連接。李新明課題組[63, 64]設(shè)計(jì)了在萘基-苯丙氨酸（Phe）-Phe-Asp-Tyr序列和萘基-Phe-Phe-Ser-Tyr序列側(cè)鏈修飾單糖基的自組裝糖肽分子（圖7）。董甦偉課題組[65]設(shè)計(jì)合成了通過(guò)絲氨酸側(cè)鏈偶聯(lián)甘露糖的自組裝糖肽分子，可以自組裝形成納米顆粒模擬復(fù)雜多糖的功能。在多肽側(cè)鏈上可以修飾單個(gè)糖基，也可以引入多個(gè)含側(cè)鏈的氨基酸，從而在一條肽鏈上同時(shí)修飾多個(gè)糖基。李艷梅課題組[66]設(shè)計(jì)的腫瘤相關(guān)抗原黏蛋白1（Tumor-associated Antigen Mucin 1，MUC1）糖肽分子通過(guò)引入2個(gè)含有側(cè)鏈的氨基酸在一條多肽上，同時(shí)連有2個(gè)Tn抗原，與其他T輔助細(xì)胞表位肽和γ-聚谷氨酸（γ-Polyglutamic acid，γ-PGA）在水中發(fā)生多層自組裝，形成納米偶聯(lián)物抗腫瘤疫苗。在多肽上不僅可以修飾單糖，還可以修飾較長(zhǎng)的寡糖鏈。如Huang課題組[67]在硫酸軟骨素糖肽Syndecan-1的絲氨酸側(cè)鏈共價(jià)連有1個(gè)八糖鏈。
除了以自組裝肽為主體在其上修飾寡糖外，還可以將聚糖長(zhǎng)鏈作為主體，在長(zhǎng)鏈上修飾較短的自組裝肽。但是其組裝驅(qū)動(dòng)力仍主要來(lái)源于自組裝短肽。王偉偉課題組[68]設(shè)計(jì)了以葡甘露聚糖長(zhǎng)鏈為母體，在其上修飾多條Q11自組裝肽序列的糖肽分子。多條Q11肽作為組裝驅(qū)動(dòng)力，形成高度有序的β-折疊納米纖維。
自組裝多肽與糖偶聯(lián)形成的自組裝糖肽在基本保留多肽自組裝行為的基礎(chǔ)上，又具有易合成的化學(xué)結(jié)構(gòu)。這樣形成的糖肽自組裝體在易于合成的同時(shí)具有自組裝形成的多價(jià)效應(yīng)。糖肽形成的超分子組裝系統(tǒng)在構(gòu)建具有新型分子結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)可調(diào)自組裝行為和應(yīng)用的材料方面具有巨大潛力。
2.3 糖肽聚合物材料
糖基化除了賦予肽基超分子生物材料功能外，還可以影響其結(jié)構(gòu)。為了更好地理解糖基化對(duì)自組裝肽的影響以及天然糖肽綴合物的自組裝機(jī)制，更好地開(kāi)發(fā)基于糖肽共聚物在藥物傳遞功能生物材料、生物成像、組織工程等方面的應(yīng)用，更多新型的聚合物糖肽被開(kāi)發(fā)出來(lái)。圖8示出了2種糖肽聚合物。
糖基化通過(guò)建立分子間作用力來(lái)改變蛋白質(zhì)的形態(tài)和功能，這種作用力可以介導(dǎo)特異性的相互作用，同時(shí)防止非特異性的聚集。Hudalla等[69]研究表明致密的糖表層可以促進(jìn)肽納米纖維分層組裝成各向異性網(wǎng)絡(luò)。低濃度的糖肽納米纖維在水中仍然分散，而非糖基化的納米纖維傾向于聚集。在擁擠的條件下，一些糖基化的納米纖維橫向結(jié)合并排列。這種行為取決于糖基的化學(xué)性質(zhì)，尤其是羥基，表明存在短程引力。
隨著聚合物表面糖基密度的增加，糖基與糖基之間的相互作用顯露出來(lái)，對(duì)分子之間的相互作用以及聚合物的自組裝行為產(chǎn)生影響。江明課題組[70]設(shè)計(jì)的交替兩親糖多肽刷（Alternating Amphiphilic Glycopolypeptide Brushes，AAGB）帶有高密度的糖基側(cè)鏈（圖9）。分子初始形成納米顆粒，但分子之間高密度的糖基側(cè)鏈具有的糖基-糖基相互作用會(huì)使初始形成的納米顆粒逐漸吸引、融合、生長(zhǎng)，最后形成納米線，實(shí)現(xiàn)分級(jí)自組裝。
此外，糖基部分也可以作為親水部分參與共聚物的組裝。Gupta課題組[71, 72]設(shè)計(jì)的基于糖肽的兩親性共聚物，以連有糖基的聚甘氨酸鏈作為親水段，聚（ε-己內(nèi)酯）鏈或聚環(huán)氧丙烷（Polypropylene Oxide，PPO）作為疏水段，形成納米纖維、囊泡、膠束等不同組裝體（圖10）。許多使用糖多肽片段作為調(diào)節(jié)共聚物結(jié)構(gòu)以及親水性工具的共聚物或聚合物也被開(kāi)發(fā)出來(lái)[73-76]。
3 糖肽高分子材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
3.1 抗菌
一些細(xì)菌（如金黃色葡萄球菌）能夠侵入哺乳動(dòng)物細(xì)胞尤其是巨噬細(xì)胞，并在其中生存，從而阻止抗菌劑對(duì)它們的清除。巨噬細(xì)胞表面含有甘露糖受體，在抵抗病原體感染中起著重要作用，因此設(shè)計(jì)一些連有甘露糖的糖肽用于靶向巨噬細(xì)胞內(nèi)的細(xì)菌感染。糖肽進(jìn)入巨噬細(xì)胞后，可以在細(xì)胞內(nèi)特有的生理?xiàng)l件調(diào)控下實(shí)現(xiàn)自組裝，在被感染巨噬細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)期滯留，從而達(dá)到長(zhǎng)效殺菌的目的。糖肽自組裝后，分子性能也可以得到放大。本課題組[77]設(shè)計(jì)了連有甘露糖糖肽的光聲造影劑，命名為MPC，MPC同時(shí)含有caspase-1酶切位點(diǎn)，主動(dòng)靶向巨噬細(xì)胞后，酶切形成J型聚集體并積聚在巨噬細(xì)胞內(nèi)使光聲信號(hào)增強(qiáng)，檢測(cè)到巨噬細(xì)胞內(nèi)金黃色葡萄球菌感染[8]。我們也開(kāi)發(fā)出具有“三明治”二聚體結(jié)構(gòu)的甘露糖糖肽-葉綠素光動(dòng)力治療（Photodynamic Therapy，PDT）藥物，可以增強(qiáng)PDT的效應(yīng)和活性靶向性，消除巨噬細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)感染（圖11）。
細(xì)菌感染可以用抗生素進(jìn)行治療，然而耐藥性的產(chǎn)生促使科研工作者嘗試更多抗菌方法，其中針對(duì)細(xì)菌凝集素的治療方法被認(rèn)為在降低細(xì)菌感染致病能力的同時(shí)不會(huì)直接影響細(xì)菌的生存能力，從而降低耐藥性出現(xiàn)的可能，因此受到了廣泛關(guān)注。凝集素是一種蛋白質(zhì)，可以與糖基特異性識(shí)別并結(jié)合，在細(xì)菌感染宿主的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。然而這種凝集素-糖相互作用具有多價(jià)性，因此自組裝糖肽被廣泛用于靶向凝集素的抗菌治療。糖肽的糖基部分選用靶向特定細(xì)菌凝集素的糖，多肽部分提供自組裝驅(qū)動(dòng)力。阿爾茲海默癥患者腦內(nèi)淀粉樣纖維的形成是蛋白質(zhì)自組裝的結(jié)果。糖肽分子中的多肽部分可以模擬自組裝過(guò)程形成納米尺度的自組裝體。在有些糖肽設(shè)計(jì)中，糖基位于多肽末端，自組裝形成聚集體后，糖基暴露在聚集體表面。聚集體由多個(gè)糖肽組裝而成，因此聚集體表面有多個(gè)糖基基團(tuán)，可以提供多價(jià)相互作用，增強(qiáng)了與細(xì)菌凝集素的結(jié)合能力，極大抑制了細(xì)菌的感染致病能力。李新明課題組[78]設(shè)計(jì)并合成的甘露糖修飾的糖肽（萘基-Phe-Phe-Ser-Tyr，NMY），其多價(jià)甘露糖配體靶向甘露糖結(jié)合蛋白Fim H黏附素，多肽部分能夠在催化酶的幫助下驅(qū)動(dòng)超分子自組裝，以高特異性結(jié)合大腸桿菌，并導(dǎo)致細(xì)菌黏附、膜被破壞和隨后的細(xì)胞死亡。
除了多肽自組裝提供多價(jià)性外，糖肽樹(shù)形分子具有的大量末端基團(tuán)同樣可以提供多價(jià)性，增強(qiáng)糖基與凝集素的相互作用。Reymond課題組[55]設(shè)計(jì)了帶有大量半乳糖和/或巖藻糖末端的糖肽樹(shù)形分子，靶向銅綠假單胞菌的凝集素LecA和LecB，可以有效抑制銅綠假單胞菌的生物膜。隨著樹(shù)形分子末端基團(tuán)數(shù)量的增加，末端糖基的柔性和可及性逐漸減小，有效性不會(huì)明顯提升，反而增加了合成難度，因此大部分應(yīng)用的糖肽樹(shù)形分子末端數(shù)量一般在2～16個(gè)。在糖肽聚合物方面，Chan-Park課題組[79]設(shè)計(jì)了含有聚甘露糖和抗菌多肽的四臂星型聚合物，抗菌多肽臂對(duì)細(xì)菌具有殺傷作用，而聚甘露糖臂對(duì)大腸桿菌FimH凝集素表達(dá)出高親和力，增強(qiáng)了聚合物對(duì)細(xì)菌表面的親和力，并且在游離甘露糖苷存在的情況下，聚合物也能抵抗競(jìng)爭(zhēng)。
3.2 腫瘤疫苗
正常細(xì)胞上的糖蛋白（特別是黏蛋白）帶有長(zhǎng)糖鏈，而上皮腫瘤細(xì)胞上的黏蛋白由于關(guān)鍵糖基轉(zhuǎn)移酶的變化導(dǎo)致黏蛋白糖鏈被嚴(yán)重截短，稱為腫瘤相關(guān)碳水化合物抗原（tumor-associated carbohydrate antigens，TACA），包括T抗原、Tn抗原及其唾液酸化衍生物等[80]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾種黏蛋白在腫瘤細(xì)胞中過(guò)表達(dá)，被用于腫瘤疫苗的研究，其中腫瘤相關(guān)抗原黏蛋白1（MUC1）是一個(gè)非常有前景的研究靶點(diǎn)。MUC1是一種膜蛋白，許多免疫治療研究表明，在大約80%的上皮癌細(xì)胞表面MUC1過(guò)表達(dá)。由于糖蛋白中糖的生物微觀異質(zhì)性，從腫瘤細(xì)胞中分離出來(lái)的MUC1通常在1個(gè)蛋白鏈上攜帶腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞2種抗原，不僅免疫原性弱，還能誘導(dǎo)針對(duì)健康組織的免疫反應(yīng)。因此，通過(guò)化學(xué)方法人工合成MUC1類似物是一種有效生產(chǎn)腫瘤疫苗的方法。目前主要有3種設(shè)計(jì)MUC1抗腫瘤疫苗的策略，分別是將MUC1糖肽與T細(xì)胞表位偶聯(lián)、將MUC1糖肽與載體蛋白偶聯(lián)、設(shè)計(jì)含有佐劑的MUC1糖肽。最近，已經(jīng)制備了許多以MUC1腫瘤相關(guān)糖肽表位為靶標(biāo)的合成糖肽疫苗，使用多肽單一載體共價(jià)偶聯(lián)多種抗原，然后利用自組裝肽驅(qū)動(dòng)糖肽自組裝或利用樹(shù)形分子大量末端基團(tuán)形成糖苷簇效應(yīng)激活免疫。Dumy課題組[59]利用區(qū)域選擇的功能化模板（RAFTs）作為多價(jià)支架設(shè)計(jì)抗癌疫苗，這些偶聯(lián)物顯示成簇的Tn抗原類似物如腫瘤相關(guān)碳水化合物抗原（Tumor-associated Carbohydrate Antigens，TACA），并對(duì)候選疫苗的B和T抗原和免疫原性進(jìn)行了體外和體內(nèi)研究。Kunz課題組[81]設(shè)計(jì)合成了MUC1串聯(lián)重復(fù)序列偶聯(lián)Tn和唾液酸Tn抗原以及破傷風(fēng)類毒素（TTox），在野生型和人MUC1轉(zhuǎn)基因小鼠中誘導(dǎo)了強(qiáng)烈地免疫應(yīng)答。李艷梅課題組[82]將恒定自然殺傷T細(xì)胞（invariant natural killer T cell，iNKT細(xì)胞）的強(qiáng)效激動(dòng)劑α-半乳糖神經(jīng)酰胺（α-Galactosylceramide，α-GalCer）與MUC1糖肽抗原綴合在一起，產(chǎn)生的組裝體作為新型的自佐劑癌癥疫苗，在沒(méi)有外部佐劑的疫苗結(jié)合物引起了高水平的腫瘤特異性IgG抗體。Bay課題組[83]設(shè)計(jì)合成了一種糖肽樹(shù)形分子，可在表達(dá)HLA-DR1的轉(zhuǎn)基因小鼠中誘導(dǎo)Tn特異性抗體介導(dǎo)的人Tn陽(yáng)性腫瘤細(xì)胞的殺傷（圖12）。
3.3 仿生支架
糖肽由來(lái)源于生物體的糖和肽組成，具有生物相容性和易降解性。當(dāng)選用特定的糖基和可以自組裝形成凝膠的多肽后，糖肽自組裝形成的組裝體還可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）糖基化微環(huán)境，因此作為優(yōu)秀的仿生材料逐漸引起人們的注意。李新明課題組[63]設(shè)計(jì)的基于糖肽的自組裝水凝膠表面部分葡萄糖通過(guò)糖-受體相互作用改善細(xì)胞附著和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)（圖13）。王偉偉課題組[68]設(shè)計(jì)的β-sheet Q11肽接枝的葡甘露聚糖自組裝水凝膠（GPgel）無(wú)需任何其他治療劑即可自我加速傷口愈合，也可以促進(jìn)修復(fù)的皮膚組織中生成血管。
3.4 組織及軟骨修復(fù)
糖胺聚糖（glycosaminoglycans，GAG，包括硫酸乙酰肝素（Heparan Sulfate，HS）、硫酸軟骨素（Chondroitin Sulfate，CSs）、透明質(zhì)酸（Hyaluronic Acid，HA）等）是在哺乳動(dòng)物組織中普遍存在的異質(zhì)多糖，在生物體中有廣泛應(yīng)用。天然糖胺聚糖具有復(fù)雜性和異質(zhì)性，大大限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。自組裝糖肽單體合成較為簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)明確可控，自組裝后形成的納米纖維可以模擬天然糖胺聚糖形態(tài)，因此許多基于自組裝糖肽的均質(zhì)低聚糖骨架被開(kāi)發(fā)出來(lái)。Stupp課題組設(shè)計(jì)的硫酸化納米結(jié)構(gòu)超分子糖肽自組裝形成納米結(jié)構(gòu)絲狀糖肽比天然硫酸化多糖肝素顯著增強(qiáng)了骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的信號(hào)傳導(dǎo)，并以極低劑量促進(jìn)了脊柱中骨骼的再生（圖14）。Guler課題組[84]設(shè)計(jì)的模仿天然透明質(zhì)酸分子的糖肽納米纖維與間充質(zhì)干細(xì)胞相互作用，并以類似于天然血凝素的方式誘導(dǎo)軟骨分化。
4 總結(jié)與前景展望
近年來(lái)糖肽的合成得到了廣泛發(fā)展，其中將糖基提前連接到氨基酸上構(gòu)建糖基化氨基酸，再利用固相合成與其他氨基酸進(jìn)行模塊化拼裝成為一種受歡迎的合成方式。然而，糖基化氨基酸的合成耗時(shí)較長(zhǎng)，因?yàn)樗ǔＰ枰嗖饺芤合喑绦颍掖蠖鄶?shù)構(gòu)建塊不是可商購(gòu)的，即使少數(shù)構(gòu)建塊可以商購(gòu)，但是價(jià)格通常極其昂貴，限制了這些結(jié)構(gòu)單元在固相糖肽合成中的應(yīng)用，此外，在糖基氨基酸插入和隨后的肽合成期間，肽偶聯(lián)反應(yīng)的效率大大降低，可能是由于帶有高聚糖的氨基酸的位阻所致。在糖肽材料的設(shè)計(jì)方面，仍然需要更精準(zhǔn)地、動(dòng)態(tài)地調(diào)控糖肽的結(jié)構(gòu)和組裝，以進(jìn)一步探索糖基與蛋白之間的相互作用及相互作用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化。如何更高效地合成模塊化的糖基化氨基酸，提高其在固相合成中的偶聯(lián)效率，更簡(jiǎn)便地合成結(jié)構(gòu)多樣化的糖肽材料，仍然有待進(jìn)一步探索。如何理解糖肽分子之間、糖肽與蛋白之間的相互作用及其給自組裝性能帶來(lái)的影響；理解體內(nèi)各種環(huán)境因素對(duì)糖肽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響以及分子在此過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，人為調(diào)控糖肽的結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)計(jì)和合成更能模擬自然糖肽/糖蛋白的分子，有助于探索糖基在人體內(nèi)復(fù)雜的生理、生化作用，綜合評(píng)價(jià)糖肽/糖蛋白糖基化的作用也是一個(gè)非常有吸引力的方向。
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