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功能性多肽纳米材料在生物医学诊断领域的应用

来源：花匠小妙招时间：2025-06-02 16:38

多肽是 α- 氨基酸以肽键结合形成的化合物，通常是由 100个以下氨基酸分子脱水缩合而成的结构序列。调节多肽序列或通过化学方式连接功能基团，使多肽成为具有靶向性、响应性、治疗性等功能的生物纳米材料。通过合理调控多肽分子结构以及改变外界环境，多肽分子可以利用氢键、疏水作用、静电相互作用等非共价键作用力自发或触发地组装成高度有序的纳米结构 [1]，这种多肽生物纳米材料具有环境响应性、优良的生物相容性和生物降解性，目前已应用于组织工程、药物输送和再生医学等领域 [2-4]。

目前已有文章对多肽的自组装触发类型以及在抗肿瘤药物、药物递送等方面的应用进行综述，文章则从作用力的方面对自组装过程进行介绍，重点介绍了功能性多肽在医学成像领域的应用，将多肽纳米材料与临床使用医学成像技术结合讨论。随着组织工程学的应用与发展，新型的人体组织器官修复和更换得到临床应用，将功能性多肽与医学影像成像技术结合，可以支持组织工程学更好地进行组织器官的修复和构成，同时组织工程学的临床应用带来的超声图像特性改变、核素成像改变和 CT 图像改变等新的诊断技术问题，通过功能性多肽靶向修复部位进行医学诊断，提供了一个可行的方法。

随着医疗技术的发展，对医学图像的要求也越来越高，功能性多肽作为一种提升医学诊断水平的方式，必将在医学诊断和组织工程研究领域受到更多关注。文章以此对功能性多肽在生物医学诊断领域的目前发展及未来前景进行综述。

2.2 自组装多肽的构建

2.2.1 自组装多肽是用于生物医学诊断的功能性多肽中一个重要的部分

通过原位或异位的自组装，多肽可以自组装形成超分子结构，如纳米纤维、纳米颗粒、纳米线和纳米管等，进而通过体内外调控，靶向病变部位，进行成像检测和治疗。在自组装过程中关键的自组装作用力包括：范德华力 ( 氢键和多重氢键等 )、疏水作用力 (π-π 堆积作用、n-π 作用和 n-n 作用等 )、静电相互作用力(离子键等)和生物识别相互作用力等[9]，见图3。

2.2.2 以氢键为主的范德华力是自组装过程最主要的驱动力

范德华力是多肽二级结构 α- 螺旋、β- 折叠的主要作用力。例如，STEVENS 等 [10] 合成了一种能形成卷曲螺旋结构的多肽，在酸性水溶液中，两个谷氨酸残基间的氢键作用可以稳定螺旋结构，使得多肽自组装形成纳米纤维。为了增强自组装能力，还可以在多肽中引入一些其他官能团提供更多的作用位点，见表 2。

此外，通过脲基嘧啶酮 (Urea Pyrimidone，UPy) 获得四重氢键体系，能进一步提高多肽的自组装作用 [11]。

2.2.3 多肽自组装的另一个主要驱动力是多肽及其衍生物之间的π-π 相互作用

CARNY 等 [29] 对苯丙氨酰 - 苯丙氨酸 (FF) 二肽进行了研究，发现侧链苯环之间的 π-π 堆积作用可以促进多肽自组装形成纳米管状结构。此外，含有芴基、萘基的芳香族多肽衍生物芳环间也能形成 π-π 相互作用 [17]。

当多肽衍生物含有疏水基团时，不仅存在疏水相互作用，还与氢键产生协同作用。例如，将环己烷三羰基三氯化物通过酰胺键偶联到具有 MH-OMe 序列的多肽，获得了一类良好自组装能力的水凝胶，疏水性侧基将酰胺与水屏蔽，形成分子内氢键，疏水内核的疏水相互作用也为自组装提供了作用力 [21，30]。静电相互作用力对多肽自组装也有重要作用。RADA4(RADARADARADARADA) 是含有带正电荷的精氨酸残基(Arg) 和带负电荷的天冬氨酸残基 (Asp) 的离子互补型自组装多肽，通过正负离子相互作用以及丙氨酸侧链甲基的 n-n 作用形成自组装多肽水凝胶 [24]。雀麦花叶病毒衣壳蛋白亚基对吲哚菁绿 (Indocyanine Green，ICG) 的包封也是一种自组装过程，主要受带负电的 ICG 分子和带正电的衣壳蛋白亚基之间的静电作用力控制 [27]。

多肽自组装的另一驱动力是蛋白质与多肽配体之间的相互作用。ZHANG 等 [28] 设计了融合蛋白 ULD-TIP-1 (ULD：泛素样结构域，Ubiquitin-like Domain；TIP-1：Tax 相互作用蛋白 1，Tax-interacting Protein-1)，形成 4 个结合位点的紧密四聚体，ULD辅助四聚体的形成，TIP-1 提供多肽的结合位点，该融合蛋白能够增强自组装纳米纤维之间的相互作用形成自组装多肽水凝胶。

多肽分子在水溶液中溶解后通过自组装作用力自发或触发地由一级结构向二级结构转变，形成 α- 螺旋、β 折叠和 β 发夹等常见的二级结构，导致多肽发生自组装行为。

2.3 功能性多肽与生物医学诊断领域的应用

功能性多肽生物相容性好、无免疫原性和无毒副反应，体内降解产物为人体可吸收的氨基酸，通过分子间相互作用 ( 范德华力、疏水相互作用和静电相互作用等 ) 将功能性多肽结构单元构建形成高效稳定的生物材料，用于生物组织工程、生物医药及生物传感器等领域，进行医学成像、控制药物释放等。功能性多肽用于医学成像具有高度特异性，在医学诊断和治疗中发挥重要的作用。目前通过整合各种成像组分 ( 放射性同位素和荧光分子等 )，开发了高度特异性的多肽类成像探针，用于各种不同的成像模式 [31]，见表 3。

2.3.1 用于光学成像的功能性多肽光学成像是指光在生物组织传播过程中吸收和散射，通过不同的采样技术实现成像。光学成像技术无损伤、非接触，具有高灵敏度、高分辨率和成本低等特点，是医学诊断领域普遍应用的一种成像技术。通过原位或异位构建多肽，可以形成以荧光增强或猝灭为检测目标的多肽类荧光分子探针[32]。一些应用于光学成像的功能性多肽序列，见表 4。有研究开发了聚集诱导发射 (aggregation induced emission，AIE) 效应的聚集体用于荧光生物成像 [43]。AIE 分子单体几乎不发荧光，但聚集状态下显示明亮荧光。通过组合功能性多肽，能够有效地在活细胞中原位构建 AIE 聚集体，从而实现荧光增强，成像活细胞的特定生物过程或测定酶活性。比如监测细胞凋亡过程，用半胱天冬酶 3(Caspase-3) 的底物 DEVD 修饰 AIE 分子四苯乙烯 (tetraphenylethylene，TPE)，构建水溶性 AIE 前体，见图 4。

在凋亡细胞模型中，Caspase-3 切割 DEVD-TPE 释放 TPE，游离的 TPE 聚集后发出荧光 [44]。在细胞毒性试验中与对照组无显著差异，小鼠器官切片未见明显的病理改变，说明该材料几乎没有全身毒性，且在肿瘤部位注射 24 h 后仍可观察到，有较好的肿瘤特异性和滞留特性。

荧光分子成像可以方便安全地提供较高的空间和时间分辨率。多肽能够与靶点特异性结合、被酶特异性切割，具有靶向性和成像功能。使用多肽荧光探针进行荧光成像不仅作为一种临床诊断方法，而且作为一种分析生物现象的方法，引起广泛关注。合理利用这些多肽化合物的光学特性，可以研制出用于多种靶点光学成像的多肽分子探针。

2.3.2 用于光声层析成像的功能性多肽光声效应 (photoacoustic effect，PA) 于 1880 年首次发现 [45]，是指物质吸收短脉冲激光束，将能量转换为声音 ( 通过热量，引起局部压力变化 )的现象 [45-46]。20 世纪 90 年代中期，光声效应用于生物医学成像，结合了光学吸收特性和超声探测优势，在临床医学和基础生物学领域迅速发展。功能性多肽作为光声层析成像造影剂，不仅具有高通透性和滞留效应，还具有高灵敏度和高特异性。表 5列举了一些能够用于光声层析成像的多肽纳米材料。

有研究将 RGD 结合到单壁碳纳米管 (single walled carbonnanotubes，SWCNT) 用于整合素 αvβ3 阳性 U87 肿瘤模型的体内光声层析成像 [53]。与 SWCNTs 相比，这种对比剂在活体组织中的光声对比度显著提高 300 倍。同时发现通过堆积作用将 ICG染料附着到纳米管表面，增强了 SWNT-RGD 的光声信号，从而提高成像灵敏度，可以检测到先前报道 1/20 的癌细胞。

WANG 等 [54] 制备了一种可激活 Caspase-3 的 PA 探针1-RGD 用于体内化学诱导的肿瘤细胞凋亡分子成像。该探针由2- 氰基 -6- 羟基喹啉、D- 半胱氨酸残基、Caspase-3 裂解序列DEVD、还原性谷胱甘肽二硫键、近红外染料 ICG 组成，通过Caspase-3 触发肽底物的切割，环化并自组装成纳米颗粒，MTT细胞毒性检测显示 100 mmol/L 内各个浓度的 1-RGD 对细胞增殖几乎没有影响，与阴性对照组相比，阿霉素处理的肿瘤细胞中PA 信号明显升高。鉴于光声层析成像空间分辨率高、穿透深，1-RGD 可用于分析凋亡信号在整个肿瘤组织中的分布，有助于早期和实时评估体内肿瘤的治疗效果。

光声成像能够有效进行生物组织结构和功能成像，为研究生物组织形态结构，生理特征，病理特征，代谢功能等提供了重要手段，通过超分子策略，使功能性多肽包含 PA 材料，这些PA 材料可以协同增强光声层析成像性能 [27]。

2.3.3 用于磁共振成像的功能性多肽 MRI 利用细胞中不同原子核的自旋特性进行成像，是一种强大的功能性成像模式，可以得到软组织 ( 如肌肉，关节和大脑 ) 的高分辨率图像。多肽通过折叠或非共价作用力组装后，可作为磁共振成像潜在造影剂，受到广泛的关注。顺磁性化合物如超顺磁性氧化铁纳米颗粒通过与多肽复合，能够增加生物相容性，以应对来自机体环境的变化，改善其聚集和降解，在体内成像性能高、能够与组织和组织液相互作用，用于靶向到特定器官或肿瘤等特定区域成像进行临床诊疗 [55]。用于磁共振成像的功能性多肽纳米材料，见表 6。

基于与 Gd(III)(HPN3DO3A) 标记相连的氨基酸序列V3A3(VVVAAA)，有研究开发了一系列两亲性多肽 (AmphiphilicPeptides，PA) 分子 [61]，V3A3 在 pH 值大于 7.0 的溶液中 β- 折叠，形成高纵横比的纳米纤维，Gd(III) 可以提高配合物的稳定性，相对于典型的单体造影剂，弛豫度显著提高。用 Gd(III)-PA 配合物在小鼠体内模型中对 PA 凝胶进行监测，显示其在 4 d 内都有保留。这些 Gd(III)-PA 自组装形成的超分子结构为监测生物材料植入体内后随时间推移而产生的变化提供了一个有效途径。

有研究报道，由 pH 值响应性二嵌段共聚物 (polyethyleneglycol-block-poly diisopropanol amino ethyl methacrylate cohydroxylmethacrylate，PDPA)、光敏剂二氢卟吩 e6(Chlorin e6，Ce6)、阿霉素聚合物前药，组成多功能胶束，胶束在血液中不表现荧光、MRI 和光动力 (Photodynamic Therapy，PDT) 活性 [62]。

功率密度≤ 1.5 W/cm2 时，胶束导致的细胞死亡可以忽略不计，但在 2.0 W/cm2 的功率密度下，胶束处理的 MCF-7/ADR细胞中超过 40 % 的细胞被杀死，在使用巴氏霉素 A1(bafilomycinA1，Baf-A1) 预孵育后，光毒性明显降低。当该胶束被癌细胞摄取在细胞内解离时，在内吞囊泡中转变为活跃状态，诱导荧光成像的荧光信号增加 7.5%。在近红外激光照射下，胶束将近红外光转换为局部热，以增强抗癌药物对肿瘤的穿透、肿瘤特异性光热治疗和 PA 成像。此外，胶束可以在酸性微环境中放大磁共振信号进行 MRI。该胶束在荧光、MRI、光声层析成像三模式成像和联合治疗显示出良好的应用前景。磁共振技术在医学成像领域有许多优势，磁共振检查没有放射性，能够清晰地显示人体内部组织结构，具有较高的图像分辨率，在先天性疾病、创伤和肿瘤疾病的诊断上效果显著。通过鉴别细胞表面肽配体微差异，功能性多肽能够靶向到特定细胞，一般对正常细胞不会产生毒性作用。与市面上的 MRI 对比剂 ( 如 Magnevist 和Resovist) 相比，功能性多肽作为探针显示出更高的 r2/r1 的比值，并且已经应用到肝脏病变成像，如肝硬化和肿瘤等领域 [55]。

2.3.4 用于 CT 检查的功能性多肽 CT 是一种基于 X 射线吸收差异的强大诊断工具，能够提供高分辨率 3D 断层图像 [63]。CT 成像通常使用高 X 射线衰减对比剂增强对比度，如碘、钡、铋等。目前临床获批的碘对比剂具有肾脏毒性，对患者治疗过程有一定影响；金纳米粒对正常细胞活动和代谢有一定影响，且受环境影响较大；金属对比剂使用剂量较高，不良反应大，使用不便。功能性多肽则易于制备和保存，且性质稳定，相对分子量小，体内代谢清除快，是 CT 分子影像探针的理想化合物，目前用于CT 检查的功能性多肽纳米材料，见表 7。

有研究者开发了一种新型人表皮生长因子受体 2(humanepidermal growth factor receptor 2，HER2) 靶向探针 [71]，将H10F(KLRLEWNR) 与 SBz-HYNIC 偶联，99Tcm 标记多肽，得到 99TcmHYNIC-H10F。建立 SK-BR3 和 MDA-MB-361 两种 HER2 阳性乳腺癌模型，采用 SPECT/CT 监测和量化曲妥珠单抗的治疗反应。初步临床研究显示，2 位女性乳腺癌患者使用该探针后 1 周内均未发生严重不良事件或生命体征明显改变，SPECT 结果显示患者1 的 99Tcm-HYNIC-H10F 的 T/NT 比值明显低于患者 2，肿瘤 HER2 FISH 试验和 IHC 染色显示患者 1 HER2 阴性，患者 2 HER2 阳性，与该探针显像结果一致。数据显示，该探针可以清晰反映乳腺肿瘤中 HER2 表达的动态变化，给药 4 d 后放射性显著降低，且在治疗过程中不与曲妥珠单抗竞争性结合，能反映肿瘤对曲妥珠单抗治疗的早期反应，有望进一步开展乳腺癌临床研究，帮助制定个性化治疗策略。

ZAHID 等 [72] 合成了 99Tcm 标记的 CTP 肽 (APWHL SSQYS RT)靶向心脏组织，放射化学实验表明，使用微克级 (7-15 μg) 的CTP，就可以向心脏提供足够量的辐射，与目前临床使用的 99Tcm- 甲氧基异丁基异腈 (99Tcm-Sestamibi) 剂量相似，给药后最快 5 min 心肌达到摄取峰值，主要通过肾脏排泄，缩短体内滞留时间，尽可能地降低造影剂辐射造成的影响。此外，对人 IPSC的实验表明 CTP 不受物种限制，不仅限于其对小鼠心脏的转导能力，而且它具有人类应用的潜力，可作为一种新型心脏靶向载体，应用于诊断成像和靶向治疗。

有研究设计了一种 99Tcm 标记的多肽 P5+14(GGGYS KAQKAQAKQA KQAQK AQKAQ AKQAK QAQKA QKAQA KQAKQ A)，该多肽制备重复性好，产率高，纯化后能达到 90% 以上 [73]，能够保持较高的生物活性，能对体内全身脏器淀粉样蛋白进行成像，在注射后 4 h 内保持稳定的放射性标记，除肾脏外，所有含有淀粉样蛋白的器官如肝、胰腺、脾、胃、肠和心脏比无淀粉样蛋白的器官保留了更多的标记肽，游离探针大部分通过肾脏和膀胱排泄，这些数据与用碘同位素放射性标记的这种肽的生物分布一致，可替代放射性碘化肽进行全身诊断和成像。

在近几十年中，CT 作为一种无创成像技术，在临床诊断、基础生物学等领域广泛使用，随着科技的进步，多肽纳米材料用于 CT 对比剂领域飞速发展。不断完善的多肽纳米对比剂将有望实现对肿瘤部位的靶向成像，提高疾病诊断、治疗效率，减轻患者的痛苦，具有巨大的应用潜力。

2.3.5 用于放射性核素成像的功能性多肽 RI 主要包括正电子发射断层扫描 (positron pmission computed tomography，PET)和单光子发射计算机断层扫描 (single photon emission computedtomography，SPECT)[74]，该方法将放射性核素标记在适当的化合物上 , 引入体内以形成放射性，在受检部位按一定浓度规律进行分布，然后根据放出射线的特性，在体外用探测器进行跟踪探测。通过光点记录、闪烁焦像或断层扫描等方法获得反映放射性核素在脏器或组织中的浓度分布图像。放射性核素标记的多肽受体显像是核医学中最新颖最具活力的分支领域，用于放射性核素成像的功能性多肽纳米材料，见表 8。

多肽类放射性药物具有下列优点：①化学合成配体多肽 ,克服了放射免疫显像的抗体异源性问题；②制备技术可控，以保证其理化和生物性能；③多肽配体和受体具有高度亲和性，保证了放射性配体有效聚集；④多肽分子量低，可以通过生理屏障，更主要的是血液清除快，降低了放射性本底，提高了 T/NT 比值 ( 肿瘤组织与非肿瘤组织放射性计数比值 )[75]。

CHEN 等 [82] 设计了一种新型探针 18F-Al-NODA-Bn-p-SCNGGGRDN-IF7，IF7 多肽 (IFLLWQR) 可以靶向肿瘤细胞中过度表达的膜联蛋白 1(annexin A1，Anxa1)，RDN 增加亲水性，GGG 降低空间位阻，可以增加肿瘤摄取，降低本底信号，使用双功能螯合剂 NODA-Bn-p-SCN 及 Al18F 标记法，提高了标记效率。注射后30 min，肿瘤组织摄取值为 (5.74±1.13)%ID/g，肿瘤的摄取显著高于血液和心脏、肠道等器官的摄取。肝、肾中放射性水平较高，表明放射性代谢产物通过肝、肾排泄。除肝脏和肾脏外，其他主要器官的摄取值均明显低于肿瘤的摄取值，没有发现明显的骨摄取，这表明示踪剂在体内是稳定的。研究结果显示该探针在肿瘤中有显著的放射性积聚，肿瘤靶向性好，血药清除快，可作为监测表达 Anxa1 的表皮样癌 PET 示踪剂。

以 Na+/K+ 泵 ATP 酶 1(NKAα1) 为靶点，有研究发现了一种肿瘤特异性靶向的 S3(CSISS LTHC) 肽 [83]，并制备了一种基于 S3肽的放射性示踪剂 18F-ALF-NOTA-S3，用于乳腺癌和其他 NKAα1过表达癌症的 PET 成像，见图 5。

临床研究表明，S3 与 RGD 有相同的代谢特征，分子质量低能够迅速从血液和正常组织中清除，成像方式类似 RGD，MDAMB-231 肿瘤细胞对 18F-S3 的摄取达到 (5.14±0.26)%ID/g。动态示踪 18F-AlF-NOTA-S3 时，肿瘤 / 背景比高，且在注射后 50 min保持不变。该示踪剂首次将 NKA 家族亚单位作为潜在的临床诊断生物标记物用于癌症分子成像，具有高灵敏度、稳定性和低毒性，为特征性肿瘤的表型显像提供了一种新途径。SPECT 缺乏精确的解剖学影像学信息，人们逐渐用 SPECT/CT 代替单一SPECT 成像。研究显示以 SPECT 扫描成像融合 CT 成像可提高诊断准确性。多肽分子探针容易标记及纯化，可以用化学方法来修饰探针，没有毒性和免疫原性，使用放射性核素标记肿瘤靶向性多肽序列，将其制成多肽探针用于肿瘤成像，在正常组织器官中清除快，肿瘤靶向性良好，具有广阔的应用前景。

3 讨论 Discussion

3.1 既往他人在该领域研究的贡献和存在的问题 目前已有关于多肽分子结构及其在组织工程、药物输送、再生医学中的生物医学应用的研究已发表。近几年越来越多的功能性多肽材料用于临床诊断，与其他材料相比，功能性多肽纳米材料具有许多优点，例如高稳定性、理想的体内分布效果，能够用于高性能成像和治疗。

3.2 作者综述区别于他人他篇的特点 文章首次根据多肽结构而具有的靶向性、响应性和治疗性等生物学功能，概述了多肽自组装的驱动力以及功能性多肽近年来在分别在光学、光声、核磁共振、CT 及核素成像这几个生物医学成像领域的应用，将多肽纳米材料与临床使用医学成像技术结合讨论。

3.3 综述的局限性 生物材料在复杂的体内环境中有许多不确定因素，文章所讨论功能性多肽材料大部分仅在动物实验中部分取得较好效果，今后能否用于临床还需进一步验证。对于功能性多肽应用，需要通过已验证的标准化方法，掌握多肽体内分布情况，以及体内毒性情况，因此需要适合的药代动力学评价体系。此外，功能性多肽在体内代谢和排泄过程也需要掌握。生物相容性高和毒性低的功能性多肽，能否通过系统评价应用于疾病临床诊疗，这仍然是一个需要深入研究的问题。

3.4 综述的重要意义 通过功能性多肽靶向疾病部位，能够提高成像的准确性，同时使用多肽材料在疾病部位聚集组装，可以提高成像的灵敏度，用来检测未知病变，解决了目前生物医学成像的存在部分问题。

未来研究者们有可能通过超分子策略，将不同的功能性多肽整合在一个纳米系统中，实现疾病的智能诊疗，例如，将治疗性多肽通过结合肽和响应肽被包裹到纳米系统中，靶向病变区域并聚集，在对反应肽的刺激下释放治疗肽。功能性多肽在细胞和细胞外基质中与生物分子相互作用，能够对特定区域的细胞或微环境的结构和功能产生影响，显示出其潜在的治疗能力。通过功能性多肽靶向疾病部位、增强检测信号和控制药物释放，从而用于医学成像，制定个性化诊疗方案，有望解决目前医学的一些缺陷和不足，推动人类健康事业发展。