类弹性蛋白多肽 (ELP) 的发展历程、研究现状与未来前景
引言
类弹性蛋白多肽 (Elastin-like Polypeptides,ELPs) 是一类衍生于天然弹性蛋白的人工合成多肽聚合物，其分子结构以五肽重复序列 (VPGXG)ₙ为核心（X为除脯氨酸外的任意氨基酸）。ELP最显著的特征是温度响应性逆相转变 (Inverse Temperature Transition,ITT)：当环境温度超过相转变温度 (Transition Temperature,Tt) 时，发生可逆相分离，形成不溶性凝聚相。通常可以通过调控五肽重复序列中“X”残基的种类、ELP分子量以及溶液环境，从而对Tt进行精准的工程化设计。
ELPs自20世纪90年代首次通过基因工程技术成功表达以来，凭借其可设计的ITT特性、优异的生物相容性、低免疫原性及精确可控的分子结构，在生物医学与材料科学领域引发广泛关注。尽管目前尚无基于ELP的药物或医疗器械通过监管机构批准上市，但部分候选药物已进入临床研究阶段，充分彰显其巨大应用潜力。本文将系统梳理ELPs三十余年（1990 年代至今）的发展脉络，重点回顾其在基因构建、理论建模及应用拓展中的关键里程碑；深入分析ELPs在智能药物递送、组织工程、医美及蛋白质纯化等领域的最新研究进展；并探讨其从实验室走向临床转化与商业化的现状及未来方向。
一、ELP的分子结构与来源
ELPs的设计灵感源于脊椎动物结缔组织中的弹性蛋白(Elastin)，其可溶性前体为原弹性蛋白(tropoelastin)。人类、鸡、大鼠及牛的原弹性蛋白基因具有高度同源性，序列包含两大核心结构域：
1. 亲水性结构域：富含可发生交联反应的赖氨酸(Lys)与丙氨酸(Ala)残基，是弹性蛋白形成纤维网络的关键；
2. 疏水性结构域：以非极性残基（如缬氨酸Val、脯氨酸Pro、丙氨酸Ala、甘氨酸Gly）为主，常以四肽(Val-Pro-Gly-Gly)、五肽(Val-Pro-Gly-Val-Gly)或六肽重复序列形式存在——这些重复序列也是天然弹性蛋白具备弹性的基础。
尽管ELP源于原弹性蛋白的疏水性重复序列，但其与原弹性蛋白及成熟弹性蛋白在结构与功能上存在显著差异（表1）：原弹性蛋白是可溶性单体，需经复杂生物交联才能形成不溶性成熟弹性蛋白（赋予组织弹性）；而ELP是通过基因工程合成的“智能”生物聚合物，可通过序列设计实现温度响应等功能，无需交联即可发挥作用。最经典的ELP序列就是由疏水性重复序列五肽(Val-Pro-Gly-Xaa-Gly,VPGXG)串联重复构成。
表1 类弹性蛋白多肽(ELP)、原弹性蛋白与成熟弹性蛋白的化学结构比较。
二、ELP的核心特性
ELPs的逆相转变行为与优良的生物学性能，共同支撑其在多领域的创新应用。
(一) 逆相转变行为(ITT)
这是ELPs最标志性的特征：在水溶液中，当温度低于Tt时，ELP分子链呈无规卷曲构象，可稳定溶解；当温度升至Tt以上时，多肽链快速发生构象重排，疏水基团暴露并伴随脱水，聚集形成不溶性凝聚相——这一过程随着温度的改变具有良好的可逆性（降温后可重新溶解）。
ELPs Tt的调控可通过以下关键参数实现，为应用场景定制提供灵活空间：
1. 客座残基疏水性：Xaa残基疏水性越强（如亮氨酸 Leu），Tt越低；
2. 分子量：ELP链越长（分子量越大），分子间疏水相互作用越强，Tt越低；
3. 溶液浓度：ELP浓度越高，分子碰撞概率增加，Tt越低；
4. 离子强度：溶液中盐（如 NaCl）浓度升高会增强疏水作用，降低Tt。
这种“温度触发”的智能响应特性，使ELPs成为构建靶向递送、缓释释放等响应性生物材料的理想模块 [1]。
(二) 生物学特性
ELPs的生物学优势使其在体内应用中脱颖而出，核心特性包括：
1. 生物相容性：作为蛋白质类材料，ELPs在体内不易引发炎症或免疫排斥反应；
2. 可生物降解性：可被体内蛋白酶降解为氨基酸，避免长期滞留体内的风险；
3. 低免疫原性：重复性序列与类天然蛋白结构使其免疫原性极低，降低体内应用的免疫风险；
4. 高度可设计性：通过基因工程可将功能性肽段、靶向配体或药物分子融合/偶联至ELP链，实现功能定制；
5. 相变后稳定性：相变凝聚形成的聚集体在体内具有超长稳定性，适用于长效药物储库；
6. 多场景适用性：可满足药物递送、融合蛋白构建、组织工程支架及医美成分等多样化需求。
三、发展历程：从基础研究到技术成熟的关键里程碑
ELPs的发展遵循“基础发现→技术突破→应用拓展”的路径，推动其从实验室走向工程化应用。
(一) 天然弹性蛋白的机制探索（1980 年代）
美国阿拉巴马大学的D.W.Urry团队是ELP研究的开创者，早期聚焦天然弹性蛋白的物理化学性质与分子机制，重点探索弹性蛋白的回弹力、疏水性及生物能量转换功能。基于对天然弹性蛋白重复序列（如VPGVG）的深入解析，Urry团队首次合成了含此类重复序列的多肽（“弹性蛋白的序列多肽”），并于1981年在《Journal of the American Chemical Society》发表研究，这一成果标志着人类首次实现对弹性蛋白功能的人工模拟，为ELP的诞生奠定基础。
(二) 首次重组表达与早期优化（1990 年代）
在天然弹性蛋白研究的基础上，Urry团队于 1992 年报道通过重组DNA技术在大肠杆菌(E. coli)中表达并生产ELPs[2]，突破了化学合成难以制备高分子量、序列均一ELP的局限。1995-1996 年，该团队进一步优化基因合成与超表达系统，实现了更高分子量ELP的制备，并系统阐述了ELP的遗传工程构建方法。这一阶段的研究重点集中于ELP的热响应机制与基础物理化学性质，为后续应用探索提供了材料基础。
(三) 基因工程技术的革命性突破（2002 年）
2002年，美国杜克大学的Ashutosh Chilkoti团队报道了通过递归定向连接(Recursive Directional Ligation,RDL)技术[3] 将编码ELP单体的短基因片段逐步拼接，最终可精确构建出编码“特定重复次数、特定序列、特定分子量”ELP的基因，成为ELP领域的核心技术突破。这一技术彻底简化了ELP基因库的构建流程，实现了ELP结构与功能的精准匹配——研究人员可根据应用需求“量体裁衣”设计ELP，极大推动了ELP结构-功能关系的系统研究。
(四) 理论建模深化与应用拓展（2000 年代中后期-2010 年代）
随着RDL技术的成熟，研究重心也从“合成方法”转向“理论建模”与“应用开发”：
1. 理论层面：建立了精准的数学模型，可预测不同序列、分子量的ELP及其融合蛋白的Tt，大幅加速新型ELP材料的设计效率；
2. 应用层面：ELP的应用场景从生物材料拓展至药物递送、组织工程、生物分离等领域。例如，2013年研究报道将胰高血糖素样肽-1(GLP-1)与ELP融合，构建长效缓释递送系统，为糖尿病等慢性病治疗提供了新方案 [4]。
(五) 前沿探索与临床转化推进（2020-2025 年）
进入2020年代，ELP研究聚焦“技术优化”“复杂问题解决”与“临床转化”三大方向：
1. 技术优化：2024年有研究报道通过对RDL技术的改进，解决了高拷贝数质粒中ELP基因构建的效率问题 [5]；另有研究探索ELP的热响应性调控大肠杆菌内蛋白质转运，为合成生物学提供新工具；
2. 应用突破：在药物递送领域，针对小核酸药物“内体逃逸”瓶颈，开发了基于ELP的ENTER纳米颗粒平台——通过在ELP中嵌入组氨酸与内涵体逃逸肽(EEP)，实现了蛋白质、siRNA、mRNA及基因编辑工具的高效胞质递送，且在小鼠肺部基因编辑中验证了有效性 [6]；
3. 临床推进：部分ELP候选药物进入早期临床试验，为后续转化奠定基础。
四、ELP在生物医学领域的应用
凭借“智能响应 + 优良生物性能”的组合优势，ELPs在生物医学领域展现出多元化应用潜力，以下为核心领域的最新进展。
(一) 药物递送：ELP最活跃的应用领域
ELP可通过温度响应、自组装等特性，实现药物的靶向递送、长效缓释与安全给药，关键成果包括：
1. 延长药物半衰期
将半衰期短的蛋白/多肽药物（如 GLP-1、胰岛素）与ELP融合，可显著增加药物的流体动力学体积，减缓肾脏清除速率，延长体内作用时间。例如，PhaseBio公司的PB1023（ELP-GLP-1 融合蛋白）通过这一机制实现每周一次给药，目前处于II期临床试验阶段（用于II型糖尿病治疗）。
2. 肿瘤局部靶向递送（ELP-BT技术）
利用实体瘤区域温度略高于正常组织（或外部物理加热）的特点，设计Tt为10-25℃的温敏ELP：通过放射同位素标记ELP，构建可注射“放射性种子”(ELP brachytherapy,ELP-BT)；肿瘤内注射后，ELP 因体温(37℃>Tt)触发相变凝集，形成可生物降解的放射性聚集体——无需手术植入/取出，规避了传统金属I-125粒子的侵入性风险，为肿瘤近距离放射治疗提供新方案。
3. 抗肿瘤药物的系统递送
ELP可自组装形成尺寸<100nm的单分散纳米颗粒，用于包裹疏水性化疗药物（如阿霉素），提升药物溶解度与生物利用度。这类纳米颗粒由ELP链与富含半胱氨酸(Cys)的短片段连接形成嵌合多肽(CPs)，通过Cys残基共价修饰疏水性药物后自发组装。在小鼠癌症模型中，该系统的最大耐受剂量是游离药物的4倍，单次给药可诱导肿瘤几乎完全消退，为多功能纳米药物（药物+显像剂+靶向配体）的构建提供简易策略。
4. 小核酸药物的高效递送（ENTER 平台）
针对小核酸药物(siRNA、mRNA)递送中“内体逃逸难”的核心问题，ENTER平台(Elastin-based Nanoparticles for Therapeutic Delivery)的设计极具创新性：
1）机制：在ELP中嵌入组氨酸与内涵体逃逸肽(EEP)——内体酸化时，组氨酸像“质子海绵”吸收质子，引发内体膨胀；pH降至临界点后，ELP结构解体，暴露EEP帮助药物逃离内体；
2）效果：在体外实现多种细胞（包括原代细胞）的高效低毒递送，在体内成功完成小鼠肺部Cre重组酶mRNA/蛋白递送，且对大/小气道上皮细胞（纤毛细胞、杯状细胞等）均有转染效果 [6]（图1）。
图1 增强版ENTER平台的小鼠肺部递送效果，a.实验设计：通过鼻滴方式给予Cre mRNA/蛋白（单独或与ENTER纳米颗粒共递送）；b-c.荧光成像结果：与单独Cre组相比，ENTER共递组的tdTomato阳性细胞比例显著升高(P<0.0001)，表明基因编辑效率提升。
(二) 组织工程与再生医学
ELP的生物相容性、可降解性及刺激响应性，使其成为组织工程支架的理想材料，核心应用包括：
1. 伤口修复与敷料
类人胶原蛋白(hCol)是伤口愈合的关键成分，但天然hCol敷料在体内稳定性差。研究人员开发了hCol-ELP重组融合蛋白：既保留hCol的生物活性，又因ELP的引入形成紧密均匀的层状结构，稳定性显著提升。在小鼠皮肤伤口模型中，hCol-ELP可减轻炎症反应、促进胶原蛋白再生，加速伤口愈合并减少瘢痕形成 [7]（图2）。
图2 hCol-ELP融合蛋白的伤口愈合效果
此外，ELP可设计为“室温液体-体温凝胶”的可注射水凝胶：微创注射至伤口部位后，因体温触发相变形成凝胶，为细胞生长提供支架，同时可持续释放抗菌药物或生长因子（如EGF），进一步促进愈合。
2. 软骨与血管组织工程
1) 软骨修复：ELP材料可模拟软骨细胞外基质的物理特性（如弹性、多孔结构），为软骨细胞提供适宜的生长微环境。研究表明，ELP支架可支持软骨细胞的增殖与分化，促进Ⅱ型胶原蛋白的表达，为软骨损伤修复提供新载体；
2) 人工血管支架：ELP的可降解性与力学可调性使其在人工血管构建中显示潜力，但目前支架的机械强度（如抗张强度、弹性模量）与降解速率的匹配性仍需优化，以满足血管组织的长期功能需求。
3. 蛋白质纯化：低成本高效分离技术
利用ELP的逆相转变特性(ITT)，可实现重组蛋白的“绿色纯化”：将目标蛋白与ELP融合表达后，通过以下步骤分离：
1) 破碎细胞获得裂解液，升温至Tt以上，ELP-目标蛋白融合体聚集沉淀；
2) 离心收集沉淀，降温至Tt以下重新溶解；
3) 重复1-2次即可获得高纯度目标蛋白。
该方法无需昂贵的亲和层析介质，避免了传统纯化的高成本与污染风险，纯度可达95%以上，回收率超80%[8]——已广泛应用于酶、抗体片段等重组蛋白的规模化纯化。
(三) 医美领域：安全高效的抗衰老成分
天然弹性蛋白因分子量过大（>700个氨基酸）无法经皮肤吸收，而工程改造的小分子ELPs可突破这一局限，成为医美领域的新型活性成分：
1. 皮肤抗衰老
ELP的活性序列（如VGVAPG）可穿透皮肤表层，激活成纤维细胞，促进弹性蛋白与胶原蛋白的合成，从而改善皮肤松弛、减少细纹。2022 年研究表明，含ELP的护肤品可显著提升老年小鼠皮肤的弹性模量与含水量，且无皮肤刺激反应 [9]。
2. 软组织填充
ELP与海藻酸盐复合可形成“温敏水凝胶”：注射时为液体，进入体内后因体温触发相变形成三维网络结构，提供即时支撑力，适用于鼻唇沟、太阳穴等部位的凹陷填充。该水凝胶的弹性模量(≈10-20kPa)接近天然皮肤组织，填充后触感自然，且可生物降解，避免了传统合成填充剂的长期滞留风险 [10]。
(四) 临床转化与商业化现状
目前ELP的临床转化仍处于早期阶段：全球范围内尚无基于ELP的治疗药物或医疗器械完成III期临床试验，但已有少数候选药物进入临床研究，验证了其安全性与可行性，不过规模化生产的成本控制、长期体内安全性数据的积累、监管审批路径的明确化，仍是ELP临床转化的核心障碍。
五、未来展望与总结
自1990年代首次重组表达以来，ELPs已从新型生物聚合物发展为“理论扎实、技术成熟、应用广泛”的智能生物材料平台 ，这离不开推动领域发展的两大关键里程碑：重组表达技术的突破与RDL基因构建方法的发明。展望未来，ELP领域将聚焦以下方向：
(一) 设计精细化与功能集成化
未来ELP的设计将更注重“多重响应性”与“多功能协同”：例如，开发“温度-pH-酶”三重响应的ELP，实现肿瘤微环境（弱酸、高酶活性）的精准靶向；或集成“靶向递送-疗效监测-副作用缓解”功能，提升药物治疗的精准度与安全性。
(二) 突破生物学递送障碍
针对ELP药物递送系统，未来研究将重点解决三大问题：
1. 循环稳定性：通过PEG修饰或构建纳米颗粒，减少ELP在体内的清除与降解；
2. 靶向效率：引入主动靶向配体（如抗体、肽段），提升对病灶组织（如肿瘤、炎症部位）的特异性结合；
3. 生物屏障穿透：探索ELP穿透血脑屏障、肿瘤间质屏障的策略，为中枢神经系统疾病、实体瘤的治疗提供新路径。
(三) 生产工艺规模化与低成本化
ELP的产业化依赖于生产工艺的优化：
1. 表达系统：开发高产率的重组体系（如优化大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞表达），提升ELP的发酵效率；
2. 纯化工艺：改进基于ITT的纯化技术，或结合膜分离、色谱技术，降低下游纯化成本——这是ELP产品走向商业化的关键。
(四) 加速临床转化与监管协作
随着更多ELP候选药物进入临床试验，未来需要：
1. 积累长期体内安全性数据（如免疫原性、器官毒性）；
2. 与监管机构（如FDA、NMPA）协作，明确ELP类产品的审批标准（如质量控制、临床评价指标），推动技术快速落地。
总结
ELP凭借其独特的温敏逆相转变特性及优异的生物学性能（生物相容性、可降解性、低免疫原性等），在精准药物递送（尤其小核酸、放射核素药物）、组织工程及医美领域已展现出不可替代的价值。尽管目前临床研究最远仅推进至II期，但随着技术优化与转化研究的深入，基于ELP的创新产品有望在未来5-10年内逐步进入市场，为生物医学领域带来新的突破。
参考资料
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