作者：蒋俊涛，吴羽婧，谢敏浩，南京医科大学药学院；吴昊，江苏省原子医学研究所

在全球化的背景下，恶性肿瘤已成为全球卫生健康领域的一大挑战。最新统计数据显示，2022 年中国新增癌症病例约482万例，死亡病例达257万例，而预计到2040年，全球新增癌症病例将增至2840万，增幅高达47%。这一严峻形势凸显了对肿瘤尽早诊断与治疗的迫切需求。在这一背景下，合理的递药策略对于促进成像探针或药物分子在肿瘤细胞和肿瘤组织中的内化和滞留至关重要，这直接关系到肿瘤成像和治疗的效果。

随着纳米技术与生物材料科学的迅猛发展，多肽自组装策略因其独特的分子构建机制而备受瞩目，成为生物医药研究的关键焦点。多肽自组装是指具备特定序列的短肽凭借非共价相互作用，自发有序地构筑纳米结构的过程。这种策略的优势不仅源于天然氨基酸组成的卓越生物相容性与稳定性，更体现在丰富修饰位点造就的功能多样性，使其在肿瘤诊断与治疗领域中展现出巨大的潜力。

目前，研究者已成功利用多肽自组装策略构建了多种功能化纳米结构（如纳米纤维、纳米球及水凝胶），并在肿瘤成像与治疗中展现出潜力。例如，基于多种非共价作用以及酶促自组装（EISA）策略的自组装多肽探针已用于多种模式的肿瘤成像，提高了探针对肿瘤的靶向性并促进探针在肿瘤中的富集。

然而，现有研究仍存在局限性，如探针靶向精准性不足、在复杂生物环境中的稳定性较差，以及现有体系多局限于体外或动物模型试验，这些都限制了多肽自组装材料的临床转化。本文将介绍多肽自组装机制及相关研究，旨在为优化多肽分子设计提供思路，提升其在体内的自组装结构稳定性、靶向性和动态调控能力。同时，探索多种策略介导的多肽自组装材料，研究其在多种肿瘤类型的应用价值，提高成像特异性和准确性，或增强治疗效果，为多肽自组装材料的临床转化提供支持。综上所述，本文基于多肽自组装的作用机制及其在肿瘤成像和治疗领域的最新动态进行概述与讨论，以期实现更广泛的临床应用。

1. 多肽自组装的机制与酶促自组装策略

1.1 非共价相互作用与纳米结构形成

自组装现象是自然界中普遍存在的过程，它通过多种非共价相互作用力，使得基本结构单元能够自发形成有序结构。在生物分子领域，肽、核苷酸、蛋白质等均展现出自组装的能力。多肽自组装因其由天然氨基酸组成，具备良好的生物相容性和可降解性，被认为是一种优异的自组装材料。在这一过程中，氢键、π-π堆叠、疏水相互作用以及静电相互作用等多种非共价相互作用力共同作用，调控多肽分子的自组装行为。

氢键在多肽自组装中扮演着核心角色，它不仅对多肽二级结构的形成与稳定至关重要，还能诱导形成多种纳米结构。含芳香族氨基酸的多肽中，π-π堆叠作用较为常见，它在亲水环境中较为稳定，并能引导肽链的生长。疏水互作用则对水溶性两亲性多肽的设计至关重要，它驱动疏水部分向内聚合，而亲水部分暴露在外。此外，静电相互作用通过静电吸引和排斥作用使带电多肽具有特异性，但其稳定性受离子强度和pH值的影响，调控二者可影响含酸性或碱性氨基酸多肽的自组装行为。

在纳米材料领域，自组装多肽因其独特的优势而备受关注。借助固相多肽合成技术，研究人员能够在分子层面修饰多肽，进而开发具有特定功能的纳米材料。通过引入酶等外部物质，多肽纳米材料的功能化得以实现。非共价相互作用的精确调控使得多肽的二级结构设计成为可能，而天然编码氨基酸的组成则赋予了多肽低免疫原性和低细胞毒性的应用优势。

基于上述优势，多肽自组装纳米材料如纳米球、纳米纤维和纳米凝胶等被广泛研发，并在药物负载、递送和治疗过程中发挥重要作用。例如，有研究报道的RH3F8 纳米颗粒具有良好的稳定性、易被细胞摄取和低毒性，在姜黄素负载实验中显示出良好的药物递送与抗癌能力。

有研究团队开发的Fmoc-FFFGKsuccG化合物在SIRT5催化后自组装成纳米纤维，能诱导细胞凋亡。还有研究将肿瘤细胞穿透短肽与抗癌药物紫杉醇相结合，能自组装成有序纳米纤维与水凝胶，在抑制肿瘤再生及减少转移方面效果良好。这些研究展示了多肽自组装材料在肿瘤诊疗中的潜力。

1.2 EISA

尽管多肽自组装材料具有许多优点，但其本身缺乏靶向性，无法直接满足肿瘤诊疗的要求。EISA策略提供了一种解决方案，它利用酶的特异性催化作用，使得多肽单体能够在组织内自组装形成超分子纳米结构。与传统的通过调节体外条件（如pH、温度和离子强度）触发多肽自组装的方式相比，EISA能够在体内原位引发自组装行为。

EISA的核心优势在于利用酶对生物材料时空分布的精准调控能力。例如，碱性磷酸酶（ALP）、半胱氨酸蛋白酶-3和β-半乳糖苷酶等酶与肿瘤生长、代谢紧密相关。借助肿瘤细胞中相关酶的异常表达情况，设计的多肽能够靶向肿瘤组织，在原位自组装形成纳米结构，实现对肿瘤组织的靶向富集和滞留，同时减少对正常组织产生的副作用。酶促多肽自组装分为两步：一是酶催化下多肽中某些化学键合成或断裂；二是经非共价相互作用，酶催化后的多肽自组装成超分子纳米结构。

例如，有研究设计的Nap-FFpY，在ALP 作用下转化为Nap-FFY，因水溶性降低、分子间作用增强而自组装成水凝胶。EISA策略不仅可以由单酶触发，还可以由双酶触发。例如，有研究团队开发的串联自组装系统，设计合成前体NBDGFFPY-ss-ERGD，先在ALP诱导下转化并在肿瘤细胞外自组装成纳米颗粒，后被细胞内吞，经谷胱甘肽（GSH）还原又进一步自组装生成纳米纤维，这种通过两种生物触发器构建的组装体能够在不同时空条件下调控自身形态，展现出独特的功能特性。在EISA策略的指引下，自组装多肽具备了一定的靶向能力，为在肿瘤成像与治疗领域的应用提供了新的可能性。

2. 多肽自组装在肿瘤成像领域的应用

在提升肿瘤治疗成功率方面，早期发现和及时治疗被公认为最有效的策略。分子影像学作为一种非侵入性的可视化诊断技术，具备区分肿瘤类型和分期的能力，对于肿瘤的早期诊断和预后评估至关重要。近年来，纳米材料与显像剂的结合显著提升了成像的特异性和诊断的准确性。相较于小分子探针，自组装多肽探针不仅展现出卓越的靶向能力，还能在目标组织中聚集并滞留，提供持续增强的信号，实现更可靠的成像效果。自组装多肽纳米材料在肿瘤分子影像学领域的应用日益广泛，涵盖了荧光成像、正电子发射断层扫描（PET）成像、光声成像等多种成像技术。

2.1 荧光成像

荧光探针作为一种用于肿瘤实时成像的分子工具，已在临床上广泛应用，为肿瘤诊断和药物开发提供了重要指导。荧光染料及标记物在外部光源激发下发射荧光信号，形成荧光成像，实现术中肿瘤切除边界的可视化。常用的荧光试剂（如吲哚菁绿）主要用于血管和血流成像，并不能实现肿瘤组织的特异性成像。因此，利用多肽自组装实现肿瘤荧光成像的研究引起了广泛关注。荧光多肽自组装材料通常由肽-荧光团缀合物构成，这些缀合物由自组装的多肽单元与不同的荧光基团共价连接形成，例如4- 硝基-2，1，3- 苯并噁二唑（NBD）、异硫氰酸荧光素等。

这些荧光多肽自组装探针形成的纳米结构能够更有效地渗透、富集并滞留在肿瘤部位，稳定且持久地产生荧光信号。基于上述优势，开发荧光多肽自组装探针的热潮正在兴起。有研究合成了一种针对胰腺肿瘤的高特异性和高灵敏度荧光探针mPEG-GPAKLVFFGC（IR783）GRGD，其中mPEG基团有助于延长血液循环时间和提高靶向效率，RGD靶向基序识别并结合αvβ3受体，在成纤维细胞活化蛋白-α的作用下形成β-折叠结构的自组装纳米纤维，增强了肿瘤荧光成像效果，实现对小型原位胰腺肿瘤的高精度成像。

有研究报道了SIRT5介导的琥珀酰化多肽自组装荧光探针NBD-FFFGKsuccG，实现了HeLa细胞内线粒体SIRT5活性的成像。有研究团队研发的多肽自组装探针P-CyFF-Gd，在ALP 的催化下形成CyFF-Gd 并自组装为纳米颗粒，促使荧光染料Cy在肿瘤处聚集，强化荧光信号，同时纳米颗粒可增强磁共振成像，为肿瘤多模态成像探针的开发提供了新思路。

2.2 PET成像

PET成像是一种利用正电子发射核素（如11C、13N、18F和68Ga）标记化合物作为显像剂的成像技术，以其出色的灵敏度、优异的空间分辨率和动态定量能力在临床应用中备受关注。与荧光成像主要适用于浅表组织不同，PET凭借其卓越的穿透性能，能够精准捕捉分子水平的细微变化，并将体内深层组织清晰地可视化呈现，因此在肿瘤的早期诊断中具有巨大优势。然而，目前可用于精准肿瘤靶向的PET成像探针种类和数量相对有限。

尽管PET经典探针18F-FDG在临床肿瘤诊断中取得了显著成效，但面对日益增长且复杂的临床需求，单纯依靠18F-FDG难以全面满足，且18F-FDG在临床上存在一定的假阳性率。因此，开发新的肿瘤靶向PET探针以提升PET成像的特异性，满足更广泛的临床需求变得尤为迫切。利用多肽自组装策略可以实现开发多种PET 探针，特别是在EISA策略的指导下，能够显著增强PET探针的靶向性和特异性，并显著增强PET成像效果。

有学者开发了一种针对高表达β-半乳糖苷酶卵巢癌的靶向探针［68Ga］Nap-NOTA-Gal1，该探针能够被肿瘤表面的β-半乳糖苷酶识别并切割，并在原位形成自组装纳米纤维，进而增强β-半乳糖苷酶相关肿瘤的PET信号。有研究报道了一种GSH 酶响应的多肽自组装体GSHNFP，经89Zr标记后进行PET/CT成像，发现其具有优异的肿瘤靶向性、良好的组织侵入性以及较低的清除速率，并能够在原位形成纳米纤维网络，显著提升了其在肿瘤组织中的滞留能力，从而提高肿瘤成像效果。还有研究利用弗林蛋白酶和谷胱甘肽双酶响应开发了多肽自组装PET 探针，增强了肿瘤体内PET 成像效果。因此，基于多肽自组装的PET探针有望在未来实现临床转化，为肿瘤早期筛查提供有力且高效的技术支持。

2.3 光声成像

光声成像作为一种非侵入性成像技术，通过检测生物组织在吸收脉冲激光后产生的瞬态热弹性膨胀而引发的超声波这一原理进行成像。光声成像结合了荧光成像的高灵敏度和超声成像的高空间分辨率以及对深层组织的良好穿透性，为精准评估肿瘤的生理与病理过程带来了巨大的应用前景。近年来，满足肿瘤诊断需求的多功能分子或纳米级光声探针大量涌现。自组装多肽光声探针可通过EISA策略对多种在肿瘤组织中过表达的酶产生特异性响应，并在肿瘤组织中自组装形成纳米结构，实现富集和滞留。此外，通过自组装诱导的荧光猝灭，可以有效增强探针光声信号。

许多学者对多肽自组装光声探针进行了深入研究。有研究报道了靶向尿激酶型纤溶酶原激活物的光声成像探针Z-GGRFF-IR775，其进入乳腺肿瘤组织后经尿激酶型纤溶酶原激活物切割特异性肽底物Z-GGR，随后FF残基自组装形成纳米颗粒FF-IR775-NPs，呈现荧光淬灭与光声信号增强特性，体内外实验显示信号强度提升，为光声探针开发指明新方向。有研究合成了靶向过表达ALP 肿瘤的光声探针IR775-Phe-Phe-Tyr（H2PO3）-OH，当分子中磷酸基团被ALP切割后自组装形成纳米颗粒，使得近红外荧光信号猝灭的同时诱导795 nm处光声信号增强了6.4倍，体内肿瘤光声成像效果也高于使用ALP 阻断剂的对照组2.3 倍。

还有研究团队设计并合成了靶向基质金属蛋白酶-2（MMP-2）的PLGLAG肽序列，并将其与聚乙二醇偶联的铝和硅萘酞菁（分别为AlNc 和SiNc）作为轴向配体。这两种配体在水中能够自组装形成纳米球，在近红外光照射下可产生光声信号，与MMP-2共孵育后，光声信号强度提高3~5倍，且在MMP-2过表达的癌细胞系 HT-1080 荷瘤小鼠体内成像试验中也展现出了较好的成像效果。

3. 多肽自组装在肿瘤治疗领域的应用

在癌症治疗领域，开发具有抗癌活性的功能性生物材料至关重要，特别是能特异性靶向癌症的材料对癌症靶向治疗意义重大。多肽自组装材料由天然氨基酸构成，不仅具有良好的生物相容性，易于在体内分解和吸收，降低了药物的毒副作用，提高了其安全性。此外，这些材料能够形成多种纳米结构，有效封装和递送抗癌药物，保持药物在血液中的稳定性，并在肿瘤部位实现缓慢释放。纳米结构还能延长药物的血液循环时间，使药物更容易穿透肿瘤组织并滞留，从而提升治疗效果。多肽自组装材料还可以设计成对特定刺激（如温度、pH、酶或光照）产生响应，或通过设计特定多肽序列，使其在肿瘤组织中更易识别并改变结构，激活药物作用，进一步增强靶向性。这些特性使多肽自组装材料在肿瘤治疗领域展现出广阔的应用前景。

3.1 自组装多肽直接诱导癌细胞凋亡

用于直接治疗肿瘤的多肽自组装材料可能对正常人体细胞具有毒性，因此需要对多肽结构进行改造，使其仅在靶组织中发挥作用。EISA策略常用于多肽的修饰，以使其能够靶向表达或过表达特定酶的肿瘤组织，从而减少对正常细胞的毒性。此类酶通过将多肽前体从可溶性亲水状态转化为自组装单元，使其在细胞内或周围空间形成有序的三维纳米结构。因此，不含传统药物的自组装多肽可以直接作为调控肿瘤细胞周期并诱导细胞凋亡、自噬或应激反应的治疗药物。例如，有研究报道了一种响应碱性磷酸酶（ALP）的自组装多肽KYp，该分子包含了磷酸化酪氨酸（Yp）和抗癌肽（［KLAKLAK］2，K）。在多肽分子中的Yp 残基与细胞膜上ALP作用后，Yp发生去磷酸化。这导致疏水性增强并促使多肽自组装，进而在细胞膜上诱导细胞膜相分离，增加膜通透性。

随后，更多的KYp分子进入细胞，其中部分分子成功绕过溶酶体，避免被溶酶体分解，从而显著改善了多肽的内化效果。进入细胞后，KYp原位自组装，增强了抗肿瘤效果。有研究发现靶向人诱导多能干细胞（iPSC）的磷酸化五肽NBD-LLLLpY。由于iPSC无限增殖有潜在致瘤性，该五肽能自组装成胶束或纳米颗粒，经ALP催化去磷酸化后被细胞内吞，在胞核内形成多肽自组装体使渗透压升高，选择性诱导iPSC凋亡。

有研究团队设计出一种靶向胰蛋白酶的自组装多肽，该多肽由四肽骨架与靶向胰蛋白酶的KYDKKKKDG序列分支共同构成。它能够选择性地靶向过表达胰蛋白酶的卵巢癌细胞系OVSAHO的内质网，并且可在原位进行自组装，引发内质网应激，最终致使细胞死亡，达到抑制癌细胞生长的效果。

3.2 自组装多肽作为抗癌药物递送载体

多肽自组装材料能够增强治疗效果并减少不良反应，在药物递送领域具有巨大的应用潜力。传统的抗癌药物（如紫杉醇、多柔比星、羟基喜树碱、顺铂及其衍生物）可以通过与多肽进行化学偶联，形成多肽-抗肿瘤药物复合体，从而自组装为纳米结构，或将抗癌药物包裹或嵌入多肽自组装的纳米结构中，以实现药物靶向递送。该策略可提升药物的稳定性和生物相容性，降低其对正常细胞的毒性，从而增强治疗效果。

自组装多肽形成的纳米结构能够作为药物的递送载体。有学者制备了由二硫键连接的半胱氨酸-二苯丙氨酸构成的自组装空心球组件，该组件具备良好的蛋白水解稳定性与生物相容性，成功实现对抗癌药物多柔比星高达68.72%的有效包封。当载药自组装组件进入GSH过表达的肿瘤细胞后，其能选择性降解并释放药物，进而诱导细胞凋亡，且对正常组织影响轻微，提升了肿瘤治疗效果。将药物与自组装多肽共价结合实现药物递送也是一种有效的策略。

有研究使用含有磷酸基团的自组装肽段YpYY 与抗癌药物苯丁酸氮芥（CRB）进行共价结合得到CRB-YpYY，药物在肿瘤部位去磷酸化后形成原位自组装，在体内肿瘤抑制实验中发现其治疗的肿瘤体积减少到35.6%，相对抑制率为64.4%，表现出较好的肿瘤抑制活性。而通过具有抗癌功效的肽段与抗癌药物相结合能够提高肿瘤治疗效果。例如，有研究报道了一种药物1-YSV/HCPT，由短肽YSV与羟基喜树碱（HCPT）偶联而成。YSV抗肿瘤需高浓度，而1-YSV/HCPT可自组装成高粘弹性水凝胶，提升二者在肿瘤组织浓度且稳定释药。与HCPT溶液相比，1-YSV/HCPT水凝胶在体内外试验均显示出对A549癌细胞更好的抑制效果，且具有良好的生物相容性，轻微的局部组织反应以及极低的毒性。

3.3 自组装多肽在肿瘤免疫治疗中的应用

肿瘤免疫治疗已成为癌症治疗领域的重要策略，与传统的化疗和放疗等直接杀死肿瘤细胞的方式不同，免疫治疗是通过激活人体自身的免疫系统来识别和攻击肿瘤细胞以达到治疗肿瘤的效果。自组装多肽在肿瘤免疫治疗领域具有巨大的潜力，凭借优良的生物相容性和设计的多样性，使得其拥有良好的安全性和免疫应答性，因此可将其设计为免疫检查点阻断剂、抗原递送载体以及免疫治疗佐剂，在肿瘤免疫治疗中提供新的思路。免疫检查点是指如程序性死亡受体1（PD-1）与配体PD-L1结合形成抑制性复合物，阻碍免疫细胞活性，导致肿瘤逃避免疫监视。虽有相关抑制途径阻断抗体用于临床，但部分患者因肿瘤微环境只有少数免疫细胞或浸润T细胞而无法产生有效反应。

通过自组装多肽来提高免疫检查点阻断的效率是一种可行的策略。有研究通过合成DBCO修饰的靶向肽TP和组装肽AP，并利用点击反应在体内形成TP-AP纳米纤维。因其具有远小于PD-L1抗体的尺寸，TP-AP具有较高的肿瘤细胞穿透效率，且作用时间也长于PD-L1抗体，能够在实体瘤微环境中显著增加CD8+T细胞达到免疫治疗效果。

抗原载体是将抗原递送至体内从而激发免疫系统对肿瘤的免疫活性，自组装多肽凭借良好的生物相容性和稳定性使其能够成为抗原载体。有研究利用RADA16多肽自组装形成的水凝胶将PD-1抗体、树突细胞和肿瘤抗原混合装载，达到肿瘤疫苗治疗和免疫治疗的结合。该疫苗能够在肿瘤微环境中更为高效地召集树突细胞，并将肿瘤抗原呈递给细胞毒性T细胞激活免疫反应。

自组装多肽的低免疫原性和良好的生物相容性使其可以应用于免疫佐剂中。有研究所设计的CD40 多肽纳米激动剂（PVA-CD40）能够在原位进行自组装并且能高效持久激活淋巴结树突细胞（DC），实现靶向免疫调节与增强免疫治疗效果。相较于CD40抗体，PVACD40不仅可快速诱导DC 成熟，而与PD-1 抗体联用时，能够抑制肿瘤细胞生长并提升荷瘤小鼠生存率。

来源：蒋俊涛,吴羽婧,吴昊,等.多肽自组装技术在肿瘤成像与治疗中的应用进展[J].分子影像学杂志,2025,48(05):639-645.