華南理工大學團隊超分子水凝膠登上《Cell Biomaterials》！

在生物醫學領域，超分子水凝膠因其獨特的動態和可逆結構而備受關注，這些結構使其能夠與生物分子進行特異性和可控的相互作用。這種水凝膠通過多種非共價相互作用（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，類似于細胞內外的生物結構。分子互變異構作為一種可逆的分子內原子或官能團遷移過程，能夠響應環境刺激，改變分子間的氫鍵網絡，從而調節超分子組裝。這種特性使得分子互變異構成為構建響應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的應用中。然而，目前基于分子互變異構的超分子水凝膠的報道還相對較少，且往往需要在極端條件下制備，限制了其在生物醫學領域的應用。

華南理工大學邊黎明、張琨雨、許適當、中山大學王濤、瑞吉生物胡勇等人開發了一種基于分子互變異構的超分子水凝膠的開發，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節炎治療中的潛力。文章詳細描述了這種水凝膠的制備、特性、以及在生物醫學應用中的潛力。相關內容以“Molecular tautomerism-induced formation of supramolecular hydrogel for mRNA enrichment and delivery”為題發表在《

Cell

Biomaterials

【關鍵結論】

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：在骨關節炎動物模型中，HA-CYA*水凝膠能夠減輕主要癥狀，通過在酸性關節微環境中釋放治療性mRNA，保護軟骨和減少骨侵蝕。

生物活性：釋放的FGF18 mRNA在細胞中能夠成功表達，促進軟骨細胞增殖，并增加軟骨基質標記物的表達。

【主要內容】

圖1 超分子水凝膠的形成機制示意圖

該機制基于pH誘導的氰尿酸（CYA）的酮-烯醇互變異構（CYA到CYA），這一過程增強了分子間的氫鍵，從而觸發了水凝膠的形成。圖中詳細描繪了CYA分子在堿性條件下發生結構轉變，形成具有更強氫鍵能力的CYA*，進而與透明質酸（HA）鏈結合，構建出穩定的三維水凝膠網絡。這一機制不僅解釋了水凝膠的快速凝膠化和自愈合特性，還為后續的mRNA捕獲和釋放功能奠定了基礎。

圖2 pH響應的超分子水凝膠的組裝過程

通過一系列實驗結果展示了pH響應的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時的抗拉伸能力，顯示了水凝膠的可注射性和形狀適應性，通過流變學時間掃描測試證實了水凝膠的快速凝膠化能力，展示了不同pH下水凝膠的循環應變掃描結果，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，證實了CYA在堿性條件下的酮-烯醇互變異構，以及這種異構化如何增強分子間的氫鍵，從而促進水凝膠的形成。

圖3：CYA異構化增強氫鍵能量，促進水凝膠形成

通過計算模擬和分子動力學（MD）模擬，進一步證實了CYA異構化對氫鍵能量的增強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的氫鍵能力，分別展示了HA-CYA和HA-CYA的氫鍵能量，進一步證實了CYA與HA結合后氫鍵能量的顯著增強，通過MD模擬展示了HA-CYA和HA-CYA系統的自組裝過程，表明CYA系統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）和分子間氫鍵數量，進一步證實了CYA*系統更緊湊的結構和更強的超分子相互作用，這些發現與實驗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響應釋放

通過熒光實驗驗證了水凝膠對poly(A)序列的特異性捕獲能力，其中HA-CYA水凝膠在poly(A)-FAM溶液中顯示出強烈的綠色熒光，而對照組（MeHA水凝膠）則無熒光，進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合帶有poly(A)尾的mRNA，通過熒光強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的互變異構導致與poly(A)序列的親和力降低，展示了水凝膠對FGF18 mRNA的負載和釋放特性，表明水凝膠能夠持續釋放mRNA，并顯著延長其穩定性，通過免疫熒光染色驗證了釋放的FGF18 mRNA的生物活性，表明水凝膠能夠促進軟骨細胞增殖并增加軟骨基質標記物的表達。

圖5：HA-CYA*水凝膠在骨關節炎模型中的治療效果

通過示意圖展示了HA-CYA水凝膠介導的FGF18 mRNA在關節內遞送的治療策略，通過微計算機斷層掃描（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）和骨小梁數量（Tb. N）方面的改善，強調了HA-CYA* + mRNA治療對軟骨下骨完整性的保護作用，通過免疫組化染色展示了關節組織中aggrecan、Col2和FGF18的表達，表明HA-CYA* + mRNA組具有更高的表達水平，支持了遞送mRNA的生物活性。這些結果證實了HA-CYA* + mRNA治療通過提供治療性mRNA的持續和保護性釋放，減輕了主要的OA癥狀。

【全文總結】

本研究開發了一種基于氰尿酸（CYA）的超分子水凝膠，通過pH誘導的酮-烯醇互變異構（CYA到CYA*）增強分子間的氫鍵，從而實現快速凝膠化、自愈合和可注射性。該水凝膠能夠特異性地結合富含腺嘌呤的核酸，如mRNA，并在酸性環境中釋放這些mRNA，為疾病治療提供了一種新的策略。在骨關節炎動物模型中，該水凝膠通過在酸性關節微環境中釋放治療性mRNA，顯著減輕了主要癥狀，保護了軟骨和減少了骨侵蝕。此外，釋放的mRNA在細胞中能夠成功表達，促進軟骨細胞增殖，并增加軟骨基質標記物的表達。這些發現展示了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