手性在通过PISA方法实现肽-聚合物结构自组装中的作用

《European Polymer Journal》：Role of chirality in the self?assembly of peptide-polymer architectures via PISA

本研究通过可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合诱导自组装（PISA）方法，将四种手性GFF多肽异构体作为链转移剂引入嵌段共聚物，探讨其立体异构性对自组装纳米结构形貌的影响，发现不同异构体组合显著改变纤维、管状等有序结构的形成及形态稳定性。

　　

贝尔卡塞姆·塔雷克·本卡莱德（Belkacem Tarek Benkhaled）| 贾伊玛·戈姆里（Chaimaa Gomri）| 卢博米尔·韦岑科夫（Lubomir Vezenkov）| 巴蒂斯特·勒格朗（Baptiste Legrand）| 马克西米利安·科罗纳斯（Maximilien Coronas）| 吉勒斯·苏布拉（Gilles Subra）| 文森特·拉德米拉尔（Vincent Ladmiral）| 莫娜·塞姆萨里拉尔（Mona Semsarilar）

欧洲膜研究所（Institut Européen des Membranes, IEM），蒙彼利埃大学（Univ Montpellier），法国国家科学研究中心（CNRS），蒙彼利埃高等化学与材料科学学院（ENSCM），法国蒙彼利埃

摘要

本研究探讨了手性肽单体对自组装过程的影响及其对制备纳米结构形态的作用。本研究采用的方法是可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合诱导自组装（PISA）技术，用于含有自组装肽（SAP）的双嵌段共聚物。所使用的可聚合肽是一种甲基丙烯酰胺功能化的Gly-Phe-Phe序列（GFF），它有四种不同的立体异构体（GF_DF_D、GF_DF_L、GF_LF_L和GF_LF_D）。通过将这些GFF三肽掺入稳定宏观链转移剂中，并在PISA条件下用疏水单体延伸链，制备出了聚((Gly-Phe-Phe-甲基丙烯酰胺)–甘油单甲基丙烯酸酯)-聚(2-羟基丙基甲基丙烯酸酯)（P(GFF-CO-GMA)-PHPMA）双嵌段共聚物纳米颗粒。多种表征方法表明，GFF立体异构体的掺入直接影响了自组装的形态。

引言

自组装肽（SAPs）是一种多功能分子，具有许多优势[1]。在20种已知的氨基酸中，组氨酸（H）[2]、色氨酸（W）[4]和苯丙氨酸（F）[5]能够自组装，形成多种形态[2]、[4]、[6]。此外，SAPs还因其能够通过非共价相互作用自发形成纳米结构而闻名，这种结构类似于细胞外基质[7]。设计功能性肽和明确的序列对于控制自组装、形态和性能至关重要[8]、[9]。

SAPs可以自组装成各种纳米结构，如纤维[10]、带状物[11]和管状物[12]，并且可以被功能化用于特定应用，如药物递送[13]、组织工程[13]、抗菌活性和伤口愈合[14]。自组装过程主要受氨基酸构象（手性）、序列和分子间相互作用（如肽间的π-π相互作用和氢键[16]）的调控[15]。手性和芳香性对于稳定肽的自组装至关重要[17]、[18]。根据先前的研究，同手性肽形成的纳米纤维结构比异手性系统更均匀[19]，这种对同手性的偏好可能解释了其在生物体中的普遍存在[19]。另一方面，异手性组装也可以表现出更好的性能，例如更快的形成动力学[20]。某些异手性肽可以形成适合细胞培养的水凝胶，具有潜在的成本效益[21]。

利用聚合诱导自组装（PISA）制备的两亲嵌段共聚物由于聚合动力学、共聚物组成的演变和聚合物与溶剂的相互作用之间的平衡，表现出很强的形成明确纳米结构的能力[19]、[20]。在水基PISA系统中，自组装过程主要受疏水效应和生长嵌段的不溶性影响[21]、[22]、[23]。

最近的研究探索了将自组装肽（SAPs）整合到聚合诱导自组装（PISA）过程中以制备非传统纳米结构[6]、[24]、[25]、[26]。使用基于肽的单体进行PISA环开环聚合，可以在高浓度下形成多种纳米结构[30]。此外，PISA还被应用于开发蛋白质-肽和氨基酸基纳米结构，为生物医学应用提供了潜力[31]。

总体而言，PISA在科学文献中有大量报道。大多数研究集中在影响自组装的因素上，包括聚合物组成、单体性质、溶剂、聚合动力学、温度、浓度等。然而，只有少数研究探讨了手性对自组装的影响[29]、[30]。Bauri等人[34]使用了一种含有侧链氨基酸的甲基丙烯酸聚合物（聚(叔丁氧基羰基（Boc）-L-丙氨酸甲基丙烯酰氧乙基酯)（PBLAEMA），并通过RAFT共聚作用与苯甲基丙烯酸（BzMA）第二嵌段结合。在甲醇中的制备得到了球形和囊状纳米结构。为了展示手性对纳米颗粒的影响，通过原位添加TFA去除了Boc基团，从而消除了手性中心。囊状结构转变为蠕虫状或球形胶束。Li等人[35]使用聚乙二醇（PEG₄₅-NH₂）双嵌段共聚物，并通过手性控制的聚合诱导自组装（CC-PISA）和N-羧酰胺诱导自组装（NCA-PISA）制备了纳米颗粒，得到了具有可调形态的PEG₄₅-P(D-或L-Phe)_n嵌段共聚物。这项研究表明，通过调整单体手性和核心形成单体的摩尔比可以控制纳米颗粒的形态。他们还表明，自组装的驱动力与分子间的肽-肽相互作用有关，而不是聚合物-溶剂相互作用[36]。Cheng等人[36]展示了聚合诱导手性自组装（PICSA）的概念，用于原位构建分级超分子手性液晶组装体。通过利用偶氮苯斯メクチック相内的π-π堆叠，他们实现了从螺旋纤维到囊状结构的精确控制。他们的研究表明，手性从末端烷基链传递到整个组装体，并且手性表达显著受到形态转变的影响。此外，作者还表明，这种超分子手性可以通过紫外线照射和热处理逆转，为功能化手性纳米材料提供了一种稳健的策略。

此前，我们报道了由甲基丙烯酰胺功能化的GFF和FGD序列构建的自组装三肽（SAP）单体的合成及其在广泛研究的可逆加成-断裂链转移（RAFT）PISA（聚(甘油单甲基丙烯酸酯)-聚(2-羟基丙基甲基丙烯酸酯)（PGMA-PHPMA）中的应用。所得的双嵌段共聚物形成了非传统的肽-聚合物纳米颗粒[6]、[24]、[25]、[26]。这些研究表明，在亲水段中仅插入少量SAP单体单元就可以形成长而各向异性的纤维形态，证实了GFF SAP对P(GFF-CO-GMA)-PHPMA配方自组装的决定性影响。此外，在另一项研究中，我们展示了作为核心形成块的单体的SAP（单独使用或与HPMA和GMA形成统计共聚物）对最终纳米结构形态的影响。观察到了多种结构，从大的球状束状纤维到球形颗粒和囊状物[27]。此外，我们还探讨了改变嵌段长度（亲水块和疏水块）、嵌段组成（亲水块中的不同SAP单元）、溶剂组成和温度对PISA合成的P(GFF-CO-GMA)-b-PHPMA形态的影响。从含有SAP的P(GFF-CO-GMA)稳定块中聚合HPMA得到了定义明确的双嵌段共聚物，这些共聚物自组装成多种形态，包括囊状物、蠕虫状物和胶束，以及以前未报道的高度各向异性结构[28]。

由于GFF具有手性光学性质，因此详细研究手性GFF SAP对自组装的影响仍然是一个未探索的关键因素。本研究的目的是探讨SAP单体立体异构体对自组装纳米结构形态的影响。首先合成了四种甲基丙烯酰胺功能化的肽立体异构体（GF_xF_x，其中x = L或D，如图1所示（GF_DF_D、GF_LF_L、GF_DF_L、GF_LF_D）。然后，这些GF_xF_x单体与亲水GMA共聚，使用RAFT聚合制备了四种不同的宏观链转移剂（macro-CTAs）P((GF_xF_x)₈-CO-GMA₆₄）（图2）。随后，在水基PISA条件下用HPMA延伸这些宏观链转移剂，得到了P((GF_xF_x)₈-CO-GMA₆₄-b-PHPMA₅₀嵌段共聚物（图2）。

材料

Fmoc-氨基酸衍生物（Fmoc-Phe_x-OH和Fmoc-Gly-OH）、HATU（1-[双（二甲基氨基）亚甲基]-1H-1,2,3-三唑[4,5,6,7,8,9]吡啶inium 3-氧化物六氟磷酸盐）和孔径为0.94 mmol/g的聚苯乙烯Fmoc Rink酰胺树脂从Iris Biotech GmbH购买。甲基丙烯酸、哌啶、N,N-二异丙基乙胺（DIEA）、三氟乙酸（TFA）、2-羟基丙基甘油单甲基丙烯酸酯（GMA）、2-羟基丙基甲基丙烯酸酯（HPMA）

甲基丙烯酰胺功能化肽立体异构体GF_xF_x的合成

甲基丙烯酰胺功能化肽立体异构体GF_xF_x的序列是使用标准的Fmoc固相肽合成（SPPS）方法制备的。使用相应的L-或D-苯丙氨酸肽获得了四种GF_xF_x肽立体异构体（GF_DF_D、GF_LF_L、GF_DF_L、GF_LF_D），如图1所示。合成过程按照我们之前的工作[6]进行。使用纯对映体肽是确保获得GFF肽甲基丙烯酰胺的关键

结论

在这项研究中，我们成功合成了四种甲基丙烯酰胺功能化肽GF_xF_x的立体异构体（GF_DF_D、GF_LF_L、GF_DF_L和GF_LF_D）。化学结构通过LC-MS、¹H和¹³C NMR进行了确认。使用圆二色性（CD）光谱确认了构象（L和D），显示出所得到的非对映体和对应对映体之间的差异。将GF_xF_x SAP立体异构体掺入宏观链转移剂（macro-CTAs）中，然后通过链延伸

未引用的参考文献

[32], [33], [38], [39], [40].

CRediT作者贡献声明

贝尔卡塞姆·塔雷克·本卡莱德（Belkacem Tarek Benkhaled）：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原始草稿，可视化，验证，方法学，形式分析，数据管理，概念化。贾伊玛·戈姆里（Chaimaa Gomri）：撰写 - 审稿与编辑，验证，方法学，形式分析。卢博米尔·韦岑科夫（Lubomir Vezenkov）：撰写 - 审稿与编辑，可视化，验证，方法学，概念化。巴蒂斯特·勒格朗（Baptiste Legrand）：验证，方法学，形式分析。马克西米利安·科罗纳斯（Maximilien Coronas）：方法学，形式分析。吉勒斯·苏布拉（Gilles Subra）：撰写 -

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢法国国家研究机构（ANR；PEPPISA-19-CE06-0011-01）和Chimie Balard Cirimat Carnot研究所（通过ANR项目N°16 CARN 0008-0）对这项工作的资助。