肽基生物材料应用——组织工程

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肽基生物材料应用——组织工程

组织工程学对抗常规嫁接

组织工程是传统移植的一种有前途的替代方法。移植是一种外科手术，旨在将组织从一个部位转移到另一个部位或从供体转移到患者，用健康的皮肤、骨骼、软骨、神经或血管替换受损的皮肤、骨骼、软骨、神经或血管。相比之下，用于组织工程的生物材料包括支架、细胞和生物活性分子。这种协同组合是目前组织修复和再生的安全的选择之一。

构成组织工程用生物材料的典型元素包括:

  • 脚手架:复合材料，或天然和合成聚合物

  • 生物活性分子:小分子、蛋白质或肽，例如细胞粘附肽和自组装肽

  • 单元格(可选):间充质干细胞

由于慢性疾病发病率的增加、常规移植供体的低可用性以及医学移植的固有限制，对该领域的兴趣一直在稳步增长。这些生物材料的目的是促进患者的组织再生，或者使用生物活性分子修饰的无细胞支架，或者将这些修饰的支架与患者自身的MSCs相结合。

用于组织工程生物材料的支架和细胞

设计模仿天然细胞外基质，支架是生物相容的、可生物降解的、多孔的和稳定的结构，能够支持细胞生长。用于这些应用的天然聚合物包括胶原蛋白、壳聚糖、弹性蛋白和透明质酸(HA)等。用作组织工程生物材料支架的合成聚合物通常包括聚ε-己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)等。

天然和合成聚合物都有特定的优点和局限性。例如，天然聚合物以其高生物相容性而闻名，但机械性能差，经常导致过早分解。相比之下，合成聚合物往往比它们的天然对应物更稳定，但表现出低生物相容性，经常导致炎症，并最终导致生物材料的排斥。增强生物相容性可降低不良反应的风险，通常通过用生物活性分子修饰天然或合成支架的表面来实现。

细胞是这些生物材料的另一个重要组成部分，从脂肪组织或骨髓中分离出来的成人间充质干细胞(MSCs)是目前再生医学的黄金标准。它们表现出自我再生和分化成不同细胞类型的能力，使它们成为新的健康组织的有用构件。

用于组织工程生物材料的生物活性分子

在目前用于组织工程生物材料的大量生物分子中，肽作为聚合物支架的改性剂起着至关重要的作用。与蛋白质修饰的生物材料相比，肽修饰的支架具有相似的特性。但是与蛋白质相比，将肽用于组织应用具有几个显著的优势:

  • 肽的合成要简单得多划算的而不是蛋白质表达

  • 肽修饰是坦率的

  • 这些小分子也是更有抵抗力温度和pH值等环境条件，而蛋白质往往在非生理条件下降解

  • 肽往往有较低的免疫原性与大蛋白质相比

由于这个原因，肽已经成为用于组织工程应用的生物材料的优选生物活性成分。下表提供了一些具有突出生物活性的肽的例子:

Type of peptides Origin AA sequence/name of the bioactive motif
Cell adhesion peptides Collagen RGD
DGEA
GFOGER
GFPGER
GTPGPQGIAGQRGVV (PepGen P-15)
Fibronectin PHSRN
REDV
LDV
KQAGDV
Laminins IKVAV
YIGSR
KAFDITYVRLKF
Bone morphogenetic protein (BMP)-like peptides BMP-2 IVAPPGYHAFYCHGECP (P17)
KIPKASSVPTELSAISTLYLSGGC (P24)
BMP-7 GQGFSYPYKAVFSTQ (BFP-1)
KQLNAISVLYFDD
Vascular endothelial growth factor (VEGF)-like peptides VEGF KLTWQELYQLKYKGI (QK)
Self-assembling peptides (SAPs) Synthetic RADARADARADARADA (RAD16)
VKVKVKVKVdPLPTKVKVKVKV-NH2 (MAX1)
VKVKVKVKVdPLPTKVEVKVKV-NH2

                                                                                                                                                                                                                                                           所有这些种类的肽增强了用于组织再生的生物材料的生物相容性。更具体地，细胞粘附肽改善细胞粘附、增殖和分化。相反，VEGF样和BMP样肽分别通过控制血管和骨修复来模拟这些蛋白。

有趣的是，自组装肽值得拥有自己的一部分。这些肽形成复杂的三维结构，通过非共价键(即氢键、静电和疏水相互作用)自发自组装。这一过程可以由pH值、温度或化学分子等外部信号触发。

像其他种类的肽一样，SAPs可以通过固相肽合成容易地产生。此外，复杂纳米结构的形成可以在生理条件下进行，这使得该方法廉价且高效。这些结构也被称为肽水凝胶，它们本身可以模拟细胞外基质，并作为组织再生生物材料的支架。

作为组织工程支架的自组装肽

自组装肽是一类快速进化的全合成肽，但它们由天然的构件组成。据专家称，肽水凝胶是各种应用中最有前途的元件之一。尽管它们是合成的，但仍保持生物相容性，具有安全的降解性和最小的免疫原性。此外，水凝胶可以很容易地操作，以获得不同物理性质的支架，如孔径大小，纤维厚度和机械阻力。

基于RAD的肽仍然是组织工程中常用的生物材料之一。这些肽基于RAD序列，一个16个氨基酸的序列，由张和他的同事在麻省理工学院开发。RAD16凝胶化可在盐(即使在低浓度下)或低pH值的存在下被诱导。在这种水凝胶状态下，细胞能够附着在RAD16基质的表面，使其成为组织修复生物材料的宝贵支架。虽然第一代RAD16肽已经商业化，但它们在生物学上的应用才刚刚开始探索。新一代RAD19生物材料已逐步采用活性和天然生物活性图案进行修饰，以增强组织再生和生物相容性。

P11肽包含另一类合成的自组装生物活性分子。这些水凝胶化肽在疏水相互作用下组装，这可以驱动它们重排为原纤维和纤维。这一类的一些肽只有在加入化学对应物时才会聚集，使它们能够适应原地的组装。

尽管在临床前和临床研究中获得了有希望的结果，但自组装肽的合成和纯化仍然具有挑战性。这些问题源于水凝胶序列中存在多个疏水残基。另一个问题是TFA的潜在污染，特别是当这些肽使用高效液相色谱(HPLC)纯化时。已知TFA对细胞增殖有负面影响，需要通过在盐酸存在下冻干或通过树脂离子交换将其去除。