自組裝多肽水凝膠的制備及其在細胞培養上的應用

楊淇森

摘 要：在生命科學的研究中，多肽自組裝是一個相對前沿的領域，而基于多肽的水凝膠又是一種新型的生物材料，具有易于設計合成、制備簡單、生物相容性好的特點。本文從多肽分子自身組裝及外源分子輔助多肽自組裝兩個方面系統地總結了自組裝多肽水凝膠的制備方法，并對當前多肽水凝膠的應用熱點做出了評述，以期對多肽水凝膠未來的研究提供參考。

關鍵詞：自組裝多肽水凝膠；細胞培養；制備方法

中圖分類號：R318 文獻標志碼：A

0 引言

隨著科技的迅速發展，生活水平的提高，人們對于新型材料的需求日益迫切，現有的材料無法滿足生產實踐，于是人們把目光投向了生物材料，尤其是水凝膠。水凝膠是一種以水為分散介質的凝膠，具有三維的空間結構。多肽基水凝膠指的是以多肽大分子為主要構件元件的形成的凝膠，在檢測、醫療、和食品等領域有廣泛的應用。多肽水凝膠的形成方式包括兩種，一種是通過化學交聯，其產物被稱為化學凝膠。這種結合方式形成的水凝膠強度大，但是對反應條件要求高，同時產物難以具有響應性。

另一種則是通過非共價相互作用如氫鍵、范德華力、靜電作用等物理作用力進行結合，即大分子自組裝，其產物通常被稱為物理凝膠。這種結合方式反應條件簡單，無需復雜的設備，組裝體系對于外界環境改變較為敏感，可以有效感知外界溫度、光、pH等條件，還具有一定的生物相容性。本文系統地總結了自組裝多肽水凝膠的制備方法，并對當前多肽水凝膠的應用熱點做出了評述，以期對多肽水凝膠未來的研究提供參考。

1 自組裝多肽水凝膠的制備方法

1.1 多肽分子自身組裝形成水凝膠

通過對多肽分子的構成氨基酸序列進行理性設計，可以使得多肽分子之間通過氫鍵、范德華力、疏水作用力等等自發組裝，當濃度達到一定程度時，便可形成多肽水凝膠。比如2012年，康艷晶等人通過氨水揮發調整溶液pH值的方法，將多肽鏈pal-RLRRLRARARA自組裝形成了pH響應性的智能水凝膠。在常溫下，由于中性及酸性條件下的精氨酸帶正電，上述多肽鏈由于靜電斥力無法形成凝膠，當溶液呈堿性時多肽鏈間的斥力減小，從而形成凝膠；除此之外，2012年周慶翰等人，利用天然蠶絲纖維優良的力學性能及良好的生物相容性設計了多肽序列RAG-16 （Ac-RADAGAGARADAGAGA-NH2），并利用精氨酸和天冬氨酸之間的靜電相互作用及鏈間疏水作用自組裝制備了RAG-16水凝膠。其儲能模量高達2723.9Pa，并且擁有良好的生物相容性。

1.2 外源分子輔助多肽自組裝制備水凝膠

由于大部分多肽鏈本身并不具備直接自組裝成凝膠的性能，在這種情況下，我們可以通過向體系中引入一些能夠起到橋連作用的分子，誘導水凝膠的形成。通常采用的橋連劑包括蛋白質、金屬離子、小分子表面活性劑等等。

南開大學的Xiaoli Zhang 等人設計了可自組裝成纖維束的多肽鏈Nap-GEFYGGGWRESAI，但此種纖維束無法進一步自發形成水凝膠。于是，他們在實驗中引入了一種四聚體粘合蛋白ULD-TIP-1，這種蛋白將本來結合較為松散的多肽鏈組裝成的纖維束結合地更加緊密，相互連接形成網狀結構。

2015年，蘇州大學的張芳研究了表面活性劑N-月桂酰肌氨酸鈉對誘導絲素蛋白形成水凝膠的影響，該分子可以包裹在蛋白質分子的表面，由于多肽表面的電荷被屏蔽，分子間的斥力減弱，其分子無規卷曲向β折疊結構發生改變從而形成水凝膠，這種水凝膠生物相容性良好，有一定的抗菌性能，在醫學上有著廣闊的應用空間。

2011年Christopher M. Micklitsch 等人合成了多肽序列ZnBHP：IKVKIKVKVDPPTKIKVKIK， 多肽鏈的末端包括一個非天然氨基酸，該氨基酸具有兩個羧基殘基，可以與Zn2+絡合。在缺乏金屬離子的溶液環境下，多肽以非折疊狀態溶于緩沖溶液中，在富含Zn2+的溶液中，Zn2+與多肽鏈末端的非天然氨基酸結合，中和了多肽鏈自帶的負電荷，使肽鏈整體呈電中性，誘導多肽鏈折疊并在疏水相互作用的促使下，進一步自組裝成富含β折疊片狀結構的水凝膠。

類似的工作還有，Lin Chen等人設計了萘功能化的二肽，這種二肽具有一端親水一端疏水的結構，在一定濃度下先組裝成膠束，隨著濃度的升高，再自組裝成蠕蟲狀結構。此時，向溶液中加入鹽離子，在一定的pH條件下，鹽離子可與蠕蟲狀結構上下兩條鏈中的羧基結合，從而誘導水凝膠的形成。

2 自組裝多肽水凝膠在細胞培養上的應用

通過自組裝的方法制備出來的多肽水凝膠較之其他材料有著許多的優勢。一般來說，多肽鏈的結構組成易于根據具體需求來設計且合成方便，易于大規模制備；同時，多肽水凝膠常常具備一定的響應性，比如隨著周圍環境如pH、溫度的變化而變化；再者，多肽水凝膠的基本組成單元是氨基酸，所以其生物相容性高，并且降解后無毒，因此該類水凝膠常用在細胞培養上，給細胞提供類似于體內的三維生長環境。

目前有多種可形成凝膠的多肽商品化，的比較典型的是RADA16，如Todd C. Holmes使用重新設計的RAD16 I、II自組裝成水凝膠，并將小鼠的神經細胞種植在其上，經過一段時間的培養，小鼠神經細胞狀態良好并且形成了突觸，接著將該體系注入小鼠體內，結果表明小鼠未出現免疫排斥及炎癥反應。

張峰等人將成骨細胞MC3T3-E1在RADA16水凝膠上培養，發現MC3T3-E1細胞能夠在凝膠上很好地黏附、伸展和增殖，有較高水平的ALP、OC表達及礦化基質沉積，成骨基因RUNX2、AKP-2、OSX正常表達且其表達量隨著時間的推移不斷升高。

在此基礎上，趙剛等人將能夠阻斷細胞壁上腫瘤壞死因子信號通路的寡肽NBD與RADA16共混，制備出自組裝水凝膠，對比了NBD與RADA16共混水凝膠與單純RADA16水凝膠對小鼠前成骨細胞MC3T3-E1增值及分化的影響，發現成骨細胞在NBD與RADA16共混凝膠中成長情況比在單純RADA16中良好。除了培養成骨細胞，劉子佳等人還用RADA16-I培養了乳腺癌細胞MDA-MB-231，發現其生長狀態良好，呈現紡錘狀，證明RADA16-I支持腫瘤細胞三維培養。endprint

3 展望

本文介紹了多種自組裝多肽水凝膠的制備方法，這些方法方便高效 、同時可賦予水凝膠材料一些新的性能，極大地拓展了水凝膠的應用范圍，在實踐中有著廣泛的應用空間。本文還重點介紹了多肽水凝膠在細胞培養方面的應用，由于其生物相容性好且能為細胞生長提供三維的環境，可以促進細胞的生長及分化。正是基于自組裝多肽水凝膠的諸多優勢，未來該水凝膠還可能在新物種培育、生物制品檢驗、生物醫學等方面有著更加深入的應用。

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