序列编程肽纳米酶水凝胶具有微环境响应双催化活性，用于感染伤口愈合

《Acta Biomaterialia》：Sequence-Programmed Peptide Nanozyme Hydrogel with Microenvironment-Responsive Dual Catalytic Activity for Infected Wound Healing

　　

摘要

天然酶通过高度协同且多功能的催化作用协调复杂的生物过程，然而其实际应用受限于稳定性差和环境敏感性。在此，我们报道了一种肽工程纳米酶水凝胶，使其能够响应伤口微环境实现可编程、微环境响应的催化切换，从而主动调控伤口愈合。受天然水解酶和氧化酶催化基序的启发，设计了一种两亲性肽（C₁₆-GAVFFAHHGGEE），使其配位Cu²⁺并自组装为富含β-折叠的纳米纤维水凝胶。所得体系表现出pH依赖的催化切换功能，在酸性条件下作为类氧化酶（OXD）纳米酶产生活性氧（ROS）以发挥局域抗菌活性（K_m = 32.45 mM，v??? = 0.61 μM s^–1），而在碱性条件下转变为类水解酶（HYD）活性，水解前药并调节炎症反应（K_m = 888.15 mM，v??? = 3.55 mM s^–1）。与传统提供孤立或静态功能的纳米酶伤口敷料不同，该体系将催化活性与不断演变的伤口微环境动态关联，从而实现了对细菌感染、氧化还原失衡和炎症的协同干预。体外研究证明其具有高度细胞相容性和广谱抗菌活性。在糖尿病感染伤口模型中，该水凝胶在12天内实现了几乎完全的伤口闭合，伴随再上皮化增强、炎症减轻、胶原沉积和血管生成。本研究建立了一种在单一肽基材料中整合环境响应性双酶模拟催化切换的策略，为主动调控复杂伤口愈合过程提供了可编程平台。

意义声明

慢性感染伤口需要能够动态适应复杂且不断演变的病理微环境的生物材料；然而，大多数现有纳米酶体系表现出静态或单一功能的催化行为。在此，我们报道了一种序列编程肽纳米酶水凝胶，在单一自组装肽序列中整合了可切换的多酶模拟催化功能。通过在β-折叠纳米纤维网络中配位Cu²⁺，该水凝胶实现了微环境响应的催化切换，从酸性条件下的抗菌过氧化物酶样活性转变为碱性条件下的抗炎水解酶样活性。本研究建立了肽分子设计、超分子组装与适应性治疗性能之间的直接结构-功能关系。该研究提供了一种结构简洁但多功能的生物材料平台，用于主动调控微环境，并为伤口愈合及其他生物医学应用中基于肽的催化生物材料设计提供了新见解。

章节摘要

引言

天然酶[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]通过活性中心内氨基酸残基的精确空间排列实现高效且高选择性的催化。除单一功能催化外，许多酶通过单个分子框架内多个催化中心的协同整合发挥作用，实现复杂生物过程的协调调控[7,8]。然而，天然酶的实际应用往往受到其

材料

Fmoc-Gly-OH、Fmoc-Ala-OH、Fmoc-Val-OH、Fmoc-Phe-OH、Fmoc-His(Trt)-OH、Fmoc-Glu(OtBu)-OH、棕榈酸（CH₃(CH₂)₁₄COOH）、六氟磷酸苯并三氮唑四甲基脲鎓盐（HBTU）、羟基苯并三氮唑（HOBt）和二异丙基乙胺（DIEA）购自阿拉丁工业有限公司（中国上海）。胰蛋白酶-EDTA（0.25%）、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、对硝基苯酚乙酸酯（pNPA）、阿司匹林（ASA）和水杨酸（SA）购自西恩西生物化学

两亲性肽的新颖设计与合成

受天然酯酶和氧化酶活性位点结构的启发，采用计算机辅助方法合理设计了一种具有自组装能力和双重纳米酶催化活性的两亲性肽C₁₆-GAVFFAHHGGEE（图1A）。在该序列中，N端C₁₆烷基链的引入旨在模拟天然酶活性位点周围的疏水微环境，同时通过疏水作用

结论

总之，我们报道了一种序列工程的超分子水凝胶，通过金属配位自组装在单一肽框架中整合了双重酶模拟催化功能。合理设计的肽（C₁₆-GAVFFAHHGGEE）与Cu²⁺离子共组装形成稳定的纳米纤维网络，兼具结构完整性、可注射性和生物相容性，且无需外部交联。与传统具有静态催化行为的材料不同，该

关联内容

支持信息

本材料包括：基于水解酶样和氧化酶样活性对Pep/Cu²⁺摩尔比的优化；纯化肽的质谱和高效液相色谱分析；Pep和Pep+Cu²⁺水凝胶中纳米纤维直径分布的定量分析、扫描电镜图像以及Pep+Cu²⁺的截面元素映射分析；分子动力学模拟分析，包括β-折叠含量的演变、

说明

作者声明无竞争性经济利益。

资金来源

本研究得到国家自然科学基金（编号22508296、22278306和22278314）、中国博士后科学基金项目（2024M762368和2026T190313）、中国博士后科学基金特别资助（GZB20250291）以及天津市科学技术委员会（编号25JCQNJC01560）的资助。

数据可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在本已发表文章及其补充信息文件中。

CRediT作者贡献声明

孙玉林：撰写—初稿、方法论、调查、形式分析、数据整理。沈宇禾：撰写—审阅与编辑、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。葛恒：方法论、形式分析、数据整理。王凯文：方法论、形式分析、数据整理。梁耀宇：方法论、形式分析、数据整理。徐小健：方法论、调查、概念化。郑旺：方法论、调查。

孙玉林|沈宇禾|葛恒|王凯文|梁耀宇|徐小健|郑旺|张承宇|袁文|陈志毅|杜文辉|王跃飞|苏荣鑫|齐伟|王跃飞