“ 当前的抗癌手段，主要是手术、化疗、放疗、以及免疫治疗等。我们希望这种可诱导活性癌细胞原位合成、形成功能结构的可控有机分子的编程策略，可以成为一种新型癌症治疗策略。 ”西湖大学理学院独立 PI 王怀民对于自己的新成果充满信心。

 

图 | 王怀民（来源：受访者）

近年来，通过非共价相互作用合成功能超分子结构，引起了生物界广泛的关注。除了在细胞之外生产用于药物传递、再生医学、免疫调节等方面的功能材料，如何在细胞内通过自组装策略原位形成功能材料和结构，逐渐成为材料科学、化学生物学和分子医学等领域的前沿研究方向。

 

由多肽形成的生物相关结构，由于其由氨基酸组成，具有低免疫原性和易于功能化等优点，在过去二十年中得到了广泛研究。然而，由于缺乏合适的生物相容性刺激和细胞内环境的复杂性，在活细胞中诱导形成自组装结构仍然具有挑战性。

 

为了在活细胞中原位激发多肽，使它们自组装成具有特定功能并在特定细胞部位富集的生物材料，必须选择合适的刺激单元。利用正常细胞与疾病细胞在众多方面的不同，王怀民课题组设计化学诱导组装策略，实现了在特定细胞中功能结构的原位合成。

 

受到细胞内吞过程启发，以及在大多数实体肿瘤的溶酶体中，组织蛋白酶的含量会升高的事实，王怀民假设组织蛋白酶B在满足上述条件的情况下可启动分子自组装，并能在癌细胞内的限域环境中诱导多肽形成功能组装结构。

 

根据组织蛋白酶 B 的可识别底物特征，他设计和合成了一系列多肽前体的结构类似物，这些结构类似物有几个关键特征：立体化学、c 端糖基化和区域化学、组装可控性基元。结果表明，不同细胞的组织蛋白酶 B 表达水平与分子组装的生物活性密切相关。他还发现，前体的血清稳定性和糖基化对其最终的抗癌效果有显著影响。

 

（来源：受访者）

巧妙利用溶酶体内吞过程

细胞对于外来物质本身就有细胞内吞的过程，这也是细胞本身的自然行为。如此一来，细胞内吞的过程中，就有很多东西一旦被内吞，就会通过一个膜凹陷进到溶酶体中，在溶酶体中有很多各种各样的酶。

溶酶体和很多疾病相关，并且它本来就是一个用于细胞处理各种垃圾的地方，现在也有研究把溶酶体作为一种蛋白质降解途径。

 

在该研究中，王怀民最基本的想法是利用溶酶体内吞的过程，让一些特定化合物把细胞吞到溶酶体里，并在溶酶体里原位自组装形成一个功能结构。

打个比方，以前是在外面合成药物，药物化学合成候选物之后，首先在细胞和动物水平上筛选，然后再在人体去筛选。像平时吃的感冒药，都是外面合成的药物。

 

王怀民想的是，是否直接在体内原位合成药物？本来药物都是小的片段分子，那么细胞把这些片段分子都吞进去之后，它自己去组装起来，比如说让癌细胞去吞，癌细胞吞完之后，它自己在体内原位合成药物，那它就只对癌细胞有毒，对正常细胞没有毒，这等于合成组装一种可编程系统。

 

总而言之，以前是在体外合成药物，而王怀民想在体内原位合成多肽类药物。很多人都知道蛋白质分子，蛋白质分子在体内合成时，是由一级结构氨基酸连在一起变成一级结构多肽，多肽只有折叠成高级结构后才会发挥正常功能。

 

王怀民说，他主要研究基于多肽的生物材料，他选择在体内利用生物相容性刺激单元（例如酶、氧化刺激分子），促使多肽分子去折叠成高级结构，之后它会像药物分子一样去发挥作用。

 

就像垒乐高积木一样，王怀民把一些单体分子先化学合成好，这时它本身是没有功能的，把它打入到人体之后，在人体里面去到特定的部位，比如一个人得了肝癌、胰腺癌或者心脏病，都可以把它直接打进去，在疾病部位让它自己去组装，比如组装成一个房子，这样它就具备功能了。

 

以组装变形金刚为例，它有很多片段，把这些片段在体外合成出来，然后打进去，并在体内让它自己把这些片段都找在一起，然后组装成一个有功能性的高级结构。

 

（来源：受访者）

验证分子的稳定性

研究中，王怀民利用自组装基序在立体化学中的性质差异，来验证分子的稳定性是否有助于组装体的生物活性。为了降低前体分子的临界胶束浓度，他们还使用 Gly-Phe-Arg-Ala-Arg 来取代 Arg-Arg，因为后者在溶酶体酸性环境中具有更好的亲水性，而设计的分子和相应的自组装分子，可通过简单的化学合成获得。

 

为了证明一定表达水平的组织蛋白酶 B 可以诱导细胞自组装从而选择性地杀死癌细胞，他首先测量了四种细胞系中组织蛋白酶B的表达水平，包括癌细胞系 HeLa 和 U87MG，以及两种非癌细胞系 HS-5 和 MCF-10A 。

分析显示，HeLa 和 U87MG 细胞系组织蛋白酶 B 表达水平几乎相同，高于两种正常细胞 HS-5 和 MCF-10A 细胞系。

（来源：受访者） 

有望用于癌症治疗或精确成像的 AI 生物材料领域

据悉，该策略可通过逃避溶酶体隔离来提高商业化疗药物活性，因此有望用于癌症治疗或精确成像的 AI 生物材料领域中。

 

王怀民表示，在溶酶体组装后想继续拓展它的应用。很多已有的化疗药物会产生耐药性，其中一个原因是它会在溶酶体里出不来，很多化疗药物是弱碱性的，溶酶体是弱酸性的，它到弱酸性的溶酶体之后会困在溶酶体里出不来。

 

而该成果可改变溶酶体膜的通透性，相当于在溶酶体形成一个网状水凝胶，水凝胶会把溶酶体撑大，溶酶体的通透性也会慢慢改变，很多化疗药物本来在溶酶体里出不来，那就可以通过这种策略出来。

出来后它会靶向药物靶点，比如线粒体和细胞核是原来的药物靶点，那么它就可以靶向原有部位，从而解决药物耐药性问题。

 

在开始合成的时候会有很多问题，前期王怀民做化学合成，然后去筛选各种化学结构，筛选之后比如说后面在体外开始做的时候，a 酶的催化速率是否会影响酶切割之后组装成一定的高级结构？

每一步其实都有很多难题，再比如解决体外的化学合成和酶催化用到组装之后，是不是在体内也有活性？这些都要去验证，失败了又得从头开始。

 

（来源：受访者）

巧妙设计对脑胶质瘤的方法

王怀民表示，验证的时候发现在脑胶质瘤细胞上面效果很好。而在当期期刊中，该论文被选为热点论文。发表之后一个化学生物领域的老牌期刊，还邀请王怀民专门写概念介绍文章。

 

多学科交叉研究方向要从他的求学经历说起。王怀民本科在天津大学学习药学，博士就读于南开大学，博士导师是做生物材料领域，期间王怀民在生物活性材料教育部重点实验室，对材料、化学、生物等都有接触。

然后，王怀民来到美国布兰迪斯化学系做博士后研究，加深了对化学学科的理解。因此，王怀民具备化学、生物、药学的综合背景。

目前在西湖大学，王怀民的研究方向和领域主要涉及有机功能分子（多肽、聚肽类分子等）的设计、合成。并研发其作为生物材料和药物递送系统的前景及其在各类疾病中的应用，包括诊断和治疗等方面。

谈及未来，他表示：“我们希望这种新型细胞精准靶向原位合成功能分子策略，能够对癌症治疗、耐药菌问题和阿兹海默症提供一种新型思路。”

-End-翻译支持：周静昕