华南理工大学团队超分子水凝胶登上《Cell Biomaterials》！

在生物医学领域，超分子水凝胶因其独特的动态和可逆结构而备受关注，这些结构使其能够与生物分子进行特异性和可控的相互作用。这种水凝胶通过多种非共价相互作用（如氢键、π-π堆积、疏水相互作用等）组装而成，能够主动识别、捕获和释放生物分子，类似于细胞内外的生物结构。分子互变异构作为一种可逆的分子内原子或官能团迁移过程，能够响应环境刺激，改变分子间的氢键网络，从而调节超分子组装。这种特性使得分子互变异构成为构建响应性超分子水凝胶的有力工具，尤其是在需要对轻微pH变化等温和刺激做出响应的应用中。然而，目前基于分子互变异构的超分子水凝胶的报道还相对较少，且往往需要在极端条件下制备，限制了其在生物医学领域的应用。

华南理工大学边黎明、张琨雨、许适当、中山大学王涛、瑞吉生物胡勇等人开发了一种基于分子互变异构的超分子水凝胶的开发，该水凝胶能够特异性地捕获和释放富含腺嘌呤的mRNA，并在动物模型中展示了其在骨关节炎治疗中的潜力。文章详细描述了这种水凝胶的制备、特性、以及在生物医学应用中的潜力。相关内容以“Molecular tautomerism-induced formation of supramolecular hydrogel for mRNA enrichment and delivery”为题发表在《

Cell

Biomaterials

【关键结论】

水凝胶的特性：HA-CYA*水凝胶具有快速凝胶化、自愈合、可注射性和良好的细胞相容性。

mRNA的捕获和释放：水凝胶能够特异性地捕获富含腺嘌呤的mRNA，并且在酸性环境中更快地释放这些mRNA，这为疾病治疗提供了一种新的策略。

治疗效果：在骨关节炎动物模型中，HA-CYA*水凝胶能够减轻主要症状，通过在酸性关节微环境中释放治疗性mRNA，保护软骨和减少骨侵蚀。

生物活性：释放的FGF18 mRNA在细胞中能够成功表达，促进软骨细胞增殖，并增加软骨基质标记物的表达。

【主要内容】

图1 超分子水凝胶的形成机制示意图

该机制基于pH诱导的氰尿酸（CYA）的酮-烯醇互变异构（CYA到CYA），这一过程增强了分子间的氢键，从而触发了水凝胶的形成。图中详细描绘了CYA分子在碱性条件下发生结构转变，形成具有更强氢键能力的CYA*，进而与透明质酸（HA）链结合，构建出稳定的三维水凝胶网络。这一机制不仅解释了水凝胶的快速凝胶化和自愈合特性，还为后续的mRNA捕获和释放功能奠定了基础。

图2 pH响应的超分子水凝胶的组装过程

通过一系列实验结果展示了pH响应的HA-CYA超分子水凝胶的组装过程及其特性。通过倾斜测试展示了HA-CYA水凝胶在碱性处理后的形成，展示了该水凝胶在pH 6-7时的抗拉伸能力，显示了水凝胶的可注射性和形状适应性，通过流变学时间扫描测试证实了水凝胶的快速凝胶化能力，展示了不同pH下水凝胶的循环应变扫描结果，表明其良好的自愈合能力，通过UV-vis光谱、拉曼光谱和FTIR光谱的变化，证实了CYA在碱性条件下的酮-烯醇互变异构，以及这种异构化如何增强分子间的氢键，从而促进水凝胶的形成。

图3：CYA异构化增强氢键能量，促进水凝胶形成

通过计算模拟和分子动力学（MD）模拟，进一步证实了CYA异构化对氢键能量的增强作用及其对水凝胶形成的影响。展示了CYA的酮和烯醇形式之间的氢键能量差异，表明烯醇形式具有更强的氢键能力，分别展示了HA-CYA和HA-CYA的氢键能量，进一步证实了CYA与HA结合后氢键能量的显著增强，通过MD模拟展示了HA-CYA和HA-CYA系统的自组装过程，表明CYA系统更快地形成更大的聚集体，分别展示了聚集体的溶剂可及表面面积（SASA）和分子间氢键数量，进一步证实了CYA*系统更紧凑的结构和更强的超分子相互作用，这些发现与实验观察到的水凝胶特性一致。

图4：HA-CYA*水凝胶对mRNA的特异性捕获和pH响应释放

通过荧光实验验证了水凝胶对poly(A)序列的特异性捕获能力，其中HA-CYA水凝胶在poly(A)-FAM溶液中显示出强烈的绿色荧光，而对照组（MeHA水凝胶）则无荧光，进一步通过荧光成像展示了水凝胶对模拟mRNA序列的捕获能力，表明水凝胶能够特异性地结合带有poly(A)尾的mRNA，通过荧光强度分析定量了水凝胶对不同长度poly(A)序列的捕获效率，展示了水凝胶在不同pH下的释放特性，表明在较低pH（4.5）下，poly(A)序列的释放速率更快，这归因于CYA*到CYA的互变异构导致与poly(A)序列的亲和力降低，展示了水凝胶对FGF18 mRNA的负载和释放特性，表明水凝胶能够持续释放mRNA，并显著延长其稳定性，通过免疫荧光染色验证了释放的FGF18 mRNA的生物活性，表明水凝胶能够促进软骨细胞增殖并增加软骨基质标记物的表达。

图5：HA-CYA*水凝胶在骨关节炎模型中的治疗效果

通过示意图展示了HA-CYA水凝胶介导的FGF18 mRNA在关节内递送的治疗策略，通过微计算机断层扫描（micro-CT）图像和定量分析，展示了HA-CYA* + mRNA组在治疗后4周的骨体积（BV）和骨侵蚀情况，表明该组具有更大的BV和更少的骨侵蚀，进一步通过定量分析揭示了HA-CYA* + mRNA组在骨表面/总体积（BS/TV）、BV/TV、骨小梁厚度（Tb. Th）和骨小梁数量（Tb. N）方面的改善，强调了HA-CYA* + mRNA治疗对软骨下骨完整性的保护作用，通过免疫组化染色展示了关节组织中aggrecan、Col2和FGF18的表达，表明HA-CYA* + mRNA组具有更高的表达水平，支持了递送mRNA的生物活性。这些结果证实了HA-CYA* + mRNA治疗通过提供治疗性mRNA的持续和保护性释放，减轻了主要的OA症状。

【全文总结】

本研究开发了一种基于氰尿酸（CYA）的超分子水凝胶，通过pH诱导的酮-烯醇互变异构（CYA到CYA*）增强分子间的氢键，从而实现快速凝胶化、自愈合和可注射性。该水凝胶能够特异性地结合富含腺嘌呤的核酸，如mRNA，并在酸性环境中释放这些mRNA，为疾病治疗提供了一种新的策略。在骨关节炎动物模型中，该水凝胶通过在酸性关节微环境中释放治疗性mRNA，显著减轻了主要症状，保护了软骨和减少了骨侵蚀。此外，释放的mRNA在细胞中能够成功表达，促进软骨细胞增殖，并增加软骨基质标记物的表达。这些发现展示了CYA基超分子水凝胶在核酸药物递送中的巨大潜力，为核酸为基础的再生治疗提供了一种新的可能性。

https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00115-1

来源：BioMed科技