《Journal of Colloid and Interface Science》：Dynamic enzyme-mimetic peptide hydrogel for the treatment of bacterial-infected inflammatory wounds
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本研究设计了一种具有酶模拟活性的两亲性多肽水凝胶，通过铜离子协调实现pH响应的动态抗氧化酶活性转换（SOD-like在弱碱性，POD-like在酸性），有效清除ROS并抑制细菌感染，促进伤口愈合，同时具备优异的机械性能和自愈能力。
范向伟|沈宇贺|闵继伟|梁耀宇|唐传梅|王凯文|苏荣欣|齐伟|王月飞
中国天津市天津大学化学工程与技术学院化学工程与低碳技术国家重点实验室，邮编300072
摘要
基于肽的水凝胶具有生物相容性和序列灵活性，适用于伤口愈合，但在复杂的伤口微环境中动态调节治疗仍然具有挑战性。受天然丝蛋白和铜肽复合物的启发，我们设计了一种两亲性肽，它可以自组装成类似天然酶的活性中心结构，并进一步形成稳定的水凝胶网络。与铜离子结合后，该系统表现出动态调节的双重抗氧化酶活性：在弱碱性条件下表现出类似超氧化物歧化酶（SOD）的行为，在酸性条件下表现出类似过氧化物酶（POD）的活性。这种pH调节的活性转换过程与感染和炎症伤口部位常见的pH波动密切相关，能够实时适应局部微环境的变化。此外，这种模拟酶的水凝胶具有高效的活性氧（ROS）清除能力和显著的抗菌性能，在细菌感染的炎症伤口模型中有效促进伤口闭合和皮肤附属物的形成。它还具有良好的机械性能，特别是在自愈性能和注射性方面，显示出在工程应用中的巨大潜力。这种多功能水凝胶平台能够精确模拟并动态调节参与伤口愈合过程的关键酶的活性，为调节伤口微环境和促进更有效的愈合反应提供了有前景的策略。同时，这项工作阐明了两亲性肽的胶体自组装与其水凝胶的生化界面性能之间的结构-活性关系，从而扩展了设计和控制生物催化界面材料的理论框架。
引言
肽作为生命的基本构建块，具有生物相容性和可编程性，以及丰富的非共价键供体/受体[1]、[2]、[3]。两亲性肽是一种在同一链中同时含有疏水性和亲水性片段的分子，其序列可设计性使其能够自组装并具有特定的功能特性，使其成为生物医学应用的有希望的候选者。它们可以组装成具有特定配置的生物材料，例如模拟天然酶活性的基于肽的超分子催化剂[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。含铜肽复合物在生物系统中发挥着关键作用，因为它们具有催化功能，并且其独特的结构配置能够介导重要的生化相互作用[9]。自1973年首次发现具有多效生物活性的天然铜肽GHK-Cu2+在人血浆中以来，含铜肽复合物受到了广泛关注。研究表明，它们可以通过涉及细胞外基质重塑和细胞因子信号调节的分子机制来促进伤口愈合[10]、[11]、[12]、组织再生[13]、[14]和抗炎反应[12]、[15]。
伤口愈合是一个动态且复杂的生理过程，涉及组织再生和修复，通常分为四个相互重叠的阶段：止血和凝血、炎症、增殖和重塑[16]。由于伤口经常暴露于外部环境中，它们容易受到毒素或细菌感染等外源性因素的影响，这可能导致反复的组织损伤和炎症反应，从而阻碍愈合过程[17]。从炎症阶段过渡到增殖阶段是伤口愈合的关键步骤，在此过程中，炎症细胞及其分泌的介质（包括活性氧（ROS）和促炎细胞因子）的持续存在与慢性伤口的发病机制密切相关[18]、[19]、[20]。在炎症反应中，身体依赖抗氧化酶来清除过量的ROS并维持细胞氧化还原平衡[21]、[22]、[23]。过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）已被广泛证明在伤口愈合中起着关键作用，它们通过清除ROS来减少氧化应激、抑制炎症反应、促进血管生成和胶原蛋白重塑[24]、[25]。目前的伤口愈合治疗方法主要集中在输送生长因子以增强增殖和成熟阶段，因此开发针对调节炎症和减轻氧化应激的有效策略至关重要，这可能成为伤口临床管理的一个有前景的方向[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。
伤口敷料在伤口的临床管理中起着关键作用。近年来，研究人员开发了多种复合伤口愈合材料，其中水凝胶由于其优异的生物相容性、高保水能力和可调的生物降解性而显示出巨大的潜力[31]、[32]。基于肽的水凝胶系统已成为生物医学应用中一类有前景的生物材料，特别是在先进药物输送系统[33]、[34]、[35]、[36]、局部抗菌治疗[37]、[38]、组织工程[40]、[41]和加速伤口愈合[42]、[43]领域。与传统合成材料相比，肽基水凝胶具有更好的生物相容性和可控的降解特性，使其成为下一代生物医学材料的理想候选者[44]。然而，目前开发的大多数合成肽基水凝胶的机械性能不足，限制了它们在动态伤口环境中的应用[40]、[45]、[46]。现有水凝胶系统在临床应用中的主要局限性在于它们缺乏多样的酶活性，无法应对复杂的伤口愈合过程，尤其是无法缓解氧化应激[21]、[42]。因此，通过利用肽分子的优异序列可调性来增强其机械性能，同时模拟天然酶的活性位点，存在实现更有效和生物相容的伤口愈合效果的有希望的潜力。
在这项研究中，设计并制备了一种具有酶模拟活性中心的仿生两亲性肽分子，该分子在生理条件下可以自组装成水凝胶材料。与铜离子结合后，该系统表现出双重抗氧化活性，并具有类似于伤口愈合过程中关键POD和SOD酶的催化活性，从而显著改善了伤口愈合效果。实验验证了工程化水凝胶的优异机械性能，特别是在自愈性能和注射性方面。此外，这种模拟酶的水凝胶在感染动物模型中表现出高效的活性氧清除能力和出色的抗菌及促进愈合性能。与目前主要依靠将天然酶掺入水凝胶来调节活性氧和炎症的研究相比，我们的工作创新性地引入了一种基于肽的酶模拟策略，通过合理设计两亲性肽序列，使其能够自组装成具有优异机械性能和显著伤口愈合效果的功能性水凝胶，为仿生抗氧化疗法提供了一种新颖且可持续的方法。此外，还利用分子动力学模拟来研究两亲性肽的胶体自组装，通过微调肽自组装的界面结构可以定制酶模拟水凝胶的催化和生物活性。这些数据可以为设计具有生物催化功能的胶体界面材料提供理论指导和实验支持。
自组装两亲性肽分子的合理设计
受生物体中丝蛋白和铜肽复合物结构的启发，我们设计了一种两亲性肽序列（APS），该序列在生理条件下具有形成水凝胶的潜力，并在肽序列中引入了能够结合Cu2+离子的酶模拟活性中心，以模拟抗氧化酶的催化功能（图1A）。具体来说，16个碳的烷基链作为肽链的主要疏水基团，促进了...
结论
总之，本研究开发了一种基于肽的水凝胶，具有多酶活性，可用于复杂微环境下的慢性伤口动态治疗。APS?+?Cu2+水凝胶在弱碱性感染条件下表现出类似SOD的行为，当伤口微环境恢复到生理的微酸性pH范围时，则转变为类似POD的活性。与天然辣根过氧化物酶相比，它不仅表现出更高的催化反应速率，而且还...
CRediT作者贡献声明
范向伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，软件，资源，项目管理，方法学，研究，数据分析，概念化。沈宇贺：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，概念化。闵继伟：可视化，软件。梁耀宇：验证，软件。唐传梅：方法学。王凯文：研究。苏荣欣：监督，资金获取。齐伟：监督，资金提供
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22278306和22278314）、中国博士后科学基金会资助项目（2024M762368）、CPSF博士后奖学金计划（GZB20250291）和天津市科学技术局（编号23JCQNJC01870）的支持。
