華南理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)超分子水凝膠登上《Cell Biomaterials》！

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超分子水凝膠因其獨(dú)特的動態(tài)和可逆結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注，這些結(jié)構(gòu)使其能夠與生物分子進(jìn)行特異性和可控的相互作用。這種水凝膠通過多種非共價(jià)相互作用（如氫鍵、π-π堆積、疏水相互作用等）組裝而成，能夠主動識別、捕獲和釋放生物分子，類似于細(xì)胞內(nèi)外的生物結(jié)構(gòu)。分子互變異構(gòu)作為一種可逆的分子內(nèi)原子或官能團(tuán)遷移過程，能夠響應(yīng)環(huán)境刺激，改變分子間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而調(diào)節(jié)超分子組裝。這種特性使得分子互變異構(gòu)成為構(gòu)建響應(yīng)性超分子水凝膠的有力工具，尤其是在需要對輕微pH變化等溫和刺激做出響應(yīng)的應(yīng)用中。然而，目前基于分子互變異構(gòu)的超分子水凝膠的報(bào)道還相對較少，且往往需要在極端條件下制備，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

華南理工大學(xué)邊黎明、張琨雨、許適當(dāng)、中山大學(xué)王濤、瑞吉生物胡勇等人開發(fā)了一種基于分子互變異構(gòu)的超分子水凝膠的開發(fā)，該水凝膠能夠特異性地捕獲和釋放富含腺嘌呤的mRNA，并在動物模型中展示了其在骨關(guān)節(jié)炎治療中的潛力。文章詳細(xì)描述了這種水凝膠的制備、特性、以及在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力。相關(guān)內(nèi)容以“Molecular tautomerism-induced formation of supramolecular hydrogel for mRNA enrichment and delivery”為題發(fā)表在《

Cell

Biomaterials

【關(guān)鍵結(jié)論】

水凝膠的特性：HA-CYA*水凝膠具有快速凝膠化、自愈合、可注射性和良好的細(xì)胞相容性。

mRNA的捕獲和釋放：水凝膠能夠特異性地捕獲富含腺嘌呤的mRNA，并且在酸性環(huán)境中更快地釋放這些mRNA，這為疾病治療提供了一種新的策略。

治療效果：在骨關(guān)節(jié)炎動物模型中，HA-CYA*水凝膠能夠減輕主要癥狀，通過在酸性關(guān)節(jié)微環(huán)境中釋放治療性mRNA，保護(hù)軟骨和減少骨侵蝕。

生物活性：釋放的FGF18 mRNA在細(xì)胞中能夠成功表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，并增加軟骨基質(zhì)標(biāo)記物的表達(dá)。

【主要內(nèi)容】

圖1 超分子水凝膠的形成機(jī)制示意圖

該機(jī)制基于pH誘導(dǎo)的氰尿酸（CYA）的酮-烯醇互變異構(gòu)（CYA到CYA），這一過程增強(qiáng)了分子間的氫鍵，從而觸發(fā)了水凝膠的形成。圖中詳細(xì)描繪了CYA分子在堿性條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成具有更強(qiáng)氫鍵能力的CYA*，進(jìn)而與透明質(zhì)酸（HA）鏈結(jié)合，構(gòu)建出穩(wěn)定的三維水凝膠網(wǎng)絡(luò)。這一機(jī)制不僅解釋了水凝膠的快速凝膠化和自愈合特性，還為后續(xù)的mRNA捕獲和釋放功能奠定了基礎(chǔ)。

圖2 pH響應(yīng)的超分子水凝膠的組裝過程

通過一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了pH響應(yīng)的HA-CYA超分子水凝膠的組裝過程及其特性。通過傾斜測試展示了HA-CYA水凝膠在堿性處理后的形成，展示了該水凝膠在pH 6-7時(shí)的抗拉伸能力，顯示了水凝膠的可注射性和形狀適應(yīng)性，通過流變學(xué)時(shí)間掃描測試證實(shí)了水凝膠的快速凝膠化能力，展示了不同pH下水凝膠的循環(huán)應(yīng)變掃描結(jié)果，表明其良好的自愈合能力，通過UV-vis光譜、拉曼光譜和FTIR光譜的變化，證實(shí)了CYA在堿性條件下的酮-烯醇互變異構(gòu)，以及這種異構(gòu)化如何增強(qiáng)分子間的氫鍵，從而促進(jìn)水凝膠的形成。

圖3：CYA異構(gòu)化增強(qiáng)氫鍵能量，促進(jìn)水凝膠形成

通過計(jì)算模擬和分子動力學(xué)（MD）模擬，進(jìn)一步證實(shí)了CYA異構(gòu)化對氫鍵能量的增強(qiáng)作用及其對水凝膠形成的影響。展示了CYA的酮和烯醇形式之間的氫鍵能量差異，表明烯醇形式具有更強(qiáng)的氫鍵能力，分別展示了HA-CYA和HA-CYA的氫鍵能量，進(jìn)一步證實(shí)了CYA與HA結(jié)合后氫鍵能量的顯著增強(qiáng)，通過MD模擬展示了HA-CYA和HA-CYA系統(tǒng)的自組裝過程，表明CYA系統(tǒng)更快地形成更大的聚集體，分別展示了聚集體的溶劑可及表面面積（SASA）和分子間氫鍵數(shù)量，進(jìn)一步證實(shí)了CYA*系統(tǒng)更緊湊的結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的超分子相互作用，這些發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)觀察到的水凝膠特性一致。

圖4：HA-CYA*水凝膠對mRNA的特異性捕獲和pH響應(yīng)釋放

通過熒光實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水凝膠對poly(A)序列的特異性捕獲能力，其中HA-CYA水凝膠在poly(A)-FAM溶液中顯示出強(qiáng)烈的綠色熒光，而對照組（MeHA水凝膠）則無熒光，進(jìn)一步通過熒光成像展示了水凝膠對模擬mRNA序列的捕獲能力，表明水凝膠能夠特異性地結(jié)合帶有poly(A)尾的mRNA，通過熒光強(qiáng)度分析定量了水凝膠對不同長度poly(A)序列的捕獲效率，展示了水凝膠在不同pH下的釋放特性，表明在較低pH（4.5）下，poly(A)序列的釋放速率更快，這歸因于CYA*到CYA的互變異構(gòu)導(dǎo)致與poly(A)序列的親和力降低，展示了水凝膠對FGF18 mRNA的負(fù)載和釋放特性，表明水凝膠能夠持續(xù)釋放mRNA，并顯著延長其穩(wěn)定性，通過免疫熒光染色驗(yàn)證了釋放的FGF18 mRNA的生物活性，表明水凝膠能夠促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖并增加軟骨基質(zhì)標(biāo)記物的表達(dá)。

圖5：HA-CYA*水凝膠在骨關(guān)節(jié)炎模型中的治療效果

通過示意圖展示了HA-CYA水凝膠介導(dǎo)的FGF18 mRNA在關(guān)節(jié)內(nèi)遞送的治療策略，通過微計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）圖像和定量分析，展示了HA-CYA* + mRNA組在治療后4周的骨體積（BV）和骨侵蝕情況，表明該組具有更大的BV和更少的骨侵蝕，進(jìn)一步通過定量分析揭示了HA-CYA* + mRNA組在骨表面/總體積（BS/TV）、BV/TV、骨小梁厚度（Tb. Th）和骨小梁數(shù)量（Tb. N）方面的改善，強(qiáng)調(diào)了HA-CYA* + mRNA治療對軟骨下骨完整性的保護(hù)作用，通過免疫組化染色展示了關(guān)節(jié)組織中aggrecan、Col2和FGF18的表達(dá)，表明HA-CYA* + mRNA組具有更高的表達(dá)水平，支持了遞送mRNA的生物活性。這些結(jié)果證實(shí)了HA-CYA* + mRNA治療通過提供治療性mRNA的持續(xù)和保護(hù)性釋放，減輕了主要的OA癥狀。

【全文總結(jié)】

本研究開發(fā)了一種基于氰尿酸（CYA）的超分子水凝膠，通過pH誘導(dǎo)的酮-烯醇互變異構(gòu)（CYA到CYA*）增強(qiáng)分子間的氫鍵，從而實(shí)現(xiàn)快速凝膠化、自愈合和可注射性。該水凝膠能夠特異性地結(jié)合富含腺嘌呤的核酸，如mRNA，并在酸性環(huán)境中釋放這些mRNA，為疾病治療提供了一種新的策略。在骨關(guān)節(jié)炎動物模型中，該水凝膠通過在酸性關(guān)節(jié)微環(huán)境中釋放治療性mRNA，顯著減輕了主要癥狀，保護(hù)了軟骨和減少了骨侵蝕。此外，釋放的mRNA在細(xì)胞中能夠成功表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，并增加軟骨基質(zhì)標(biāo)記物的表達(dá)。這些發(fā)現(xiàn)展示了CYA基超分子水凝膠在核酸藥物遞送中的巨大潛力，為核酸為基礎(chǔ)的再生治療提供了一種新的可能性。

https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00115-1

來源：BioMed科技