Peptid amfifil
Peptidamfifiler (PAs) är peptidbaserade molekyler som självmonterar till supramolekylära nanostrukturer inklusive; sfäriska miceller, tvinnade band och nanofibrer med hög bildförhållande . En peptidamfifil innefattar typiskt en hydrofil peptidsekvens fäst vid en lipidsvans, dvs en hydrofob alkylkedja med 10 till 16 kol. Därför kan de betraktas som en typ av lipopeptid . En speciell typ av PA, utgörs av alternerande laddade och neutrala rester, i ett upprepat mönster, såsom RADA16-I. PA:erna utvecklades på 1990-talet och början av 2000-talet och kunde användas inom olika medicinska områden, inklusive: nanobärare, nanodroger och bildbehandlingsmedel. Men kanske ligger deras främsta potential inom regenerativ medicin för att odla och leverera celler och tillväxtfaktorer.
Historia
Peptidamfifiler utvecklades på 1990-talet. De beskrevs först av Matthew Tirrells grupp 1995. Dessa första rapporterade PA-molekyler var sammansatta av två domäner: en av lipofil karaktär och en annan med hydrofila egenskaper, vilket möjliggjorde självsammansättning till sfärliknande supramolekylära strukturer som ett resultat av association av de lipofila domänerna bort från lösningsmedlet (hydrofob effekt), vilket resulterade i kärnan i nanostrukturen. De hydrofila resterna exponeras för vattnet, vilket ger upphov till en löslig nanostruktur.
Samuel I. Stupps laboratorium av Hartgerink et al., i början av 2000-talet, rapporterade en ny typ av PA som kan självmontera till långsträckta nanostrukturer. Dessa nya PA innehåller tre regioner: en hydrofob svans, en region av beta-arkbildande aminosyror och en laddad peptidepitop utformad för att möjliggöra löslighet av molekylen i vatten. Dessutom kan PA:erna innehålla en mål- eller signalepitop som gör att de bildade nanostrukturerna kan utföra en biologisk funktion, antingen målinriktning eller signalering, genom att interagera med levande system. Självmonteringsmekanismen för dessa PA är en kombination av vätebindning mellan beta-arkbildande aminosyror och hydrofob kollaps av svansarna för att ge bildandet av cylindriska miceller som presenterar peptidepitopen med extremt hög densitet vid nanofiberytan. Genom att ändra pH eller tillsätta motjoner för att sålla de laddade ytorna av fibrer, kan geler bildas. Det har visats att injektion av peptidamfifillösningar in vivo leder till in situ gelbildning på grund av närvaron av motjoner i fysiologiska lösningar. Detta, tillsammans med materialens fullständiga biologiska nedbrytbarhet , tyder på många tillämpningar i in vitro- och in vivo -terapier.
Strukturera
De flesta självmonterande molekyler är amfifila , vilket betyder att de har både hydrofob och hydrofil karaktär. Peptidamfifiler är en klass av molekyler som består av antingen hydrofoba och hydrofila peptidsekvenser, eller en hydrofil peptid med en ansluten hydrofob grupp, som vanligtvis är en alkylkedja . Strukturen av en peptid amfifiler har fyra nyckeldomäner. För det första finns det en hydrofob sektion, typiskt en alkylkedja. För det andra finns det peptidsekvensen som bildar intermolekylär vätebindning. För det tredje finns det en sektion av laddade aminosyrarester för att öka lösligheten av peptiden i vatten. Den sista strukturella egenskapen tillåter peptiden att interagera med biomolekyler, celler eller proteiner, och detta är ofta genom epitoper (en del av antigener som känns igen av immunsystemet).
Som med andra amfifila molekyler, över en kritisk aggregationskoncentration associerar peptidamfifiler genom icke-kovalenta interaktioner för att bilda ordnade sammansättningar av olika storlekar, från nanometer till mikron. Molekyler som innehåller både polära och opolära element minimerar ogynnsamma interaktioner med den vattenhaltiga miljön via aggregering, vilket gör att de hydrofila delarna kan exponeras för den vattenhaltiga miljön och de hydrofoba delarna kan skyddas. När aggregering inträffar kan en mängd olika sammansättningar bildas beroende på många parametrar som koncentration, pH, temperatur och geometri. De sammansättningar som bildas sträcker sig från miceller till dubbelskiktsstrukturer , såsom vesiklar , såväl som fibriller och geler .
Miceller består av en hydrofob inre kärna omgiven av ett hydrofilt yttre skal som utsätts för ett lösningsmedel, och deras strukturer kan vara sfärer, skivor eller maskliknande enheter. Miceller bildas spontant när koncentrationen är över en kritisk micellkoncentration och temperatur. Amfifiler med en mellanliggande nivå av hydrofobicitet föredrar att samlas i tvåskiktsvesiklar. Vesikler är sfäriska, ihåliga, lamellära strukturer som omger en vattenhaltig kärna. Den hydrofoba delen är vänd inåt och bildar den inre delen av dubbelskiktet, och den hydrofila delen exponeras för den vattenhaltiga miljön på den inre och yttre ytan. Micellstrukturer har ett hydrofobt inre och ett hydrofilt yttre.
Det finns normalt ett distinkt samband mellan en peptids amfifila karaktär och dess funktion genom att den amfifila karaktären bestämmer egenskaperna för självmontering, och det är i sin tur det som ger peptiden dess funktionalitet. Nivån av amfifilicitet kan variera avsevärt i peptider och proteiner; som sådana kan de visa regioner som är antingen hydrofoba eller hydrofila till sin natur. Ett exempel på detta är den cylindriska strukturen av en a-helix , eftersom den kan innehålla en sektion av hydrofoba rester längs cylinderns ena sida och en hydrofil sektion av rester på cylinderns motsatta sida. För p-arkstrukturer kan peptidkedjan vara sammansatt av alternerande hydrofila och hydrofoba rester, så att sidokedjorna av resterna visas på motsatta ytor av arket. I cellmembranet veckas peptider till spiraler och ark för att tillåta de opolära resterna att interagera med membranets inre, och för att tillåta de polära resterna att exponeras för den vattenhaltiga miljön. Denna självmontering tillåter peptiderna att ytterligare optimera sin interaktion med omgivningen.
Peptidamfifiler är mycket användbara i biomedicinska tillämpningar och kan användas för att fungera som terapeutiska medel för att behandla sjukdomar genom att transportera läkemedel över membran till specifika platser. De kan sedan metaboliseras till lipider och aminosyror, som sedan lätt tas bort i njurarna. Detta sker genom att den hydrofoba svansen kan passera cellmembranet, vilket gör att peptidepitopen kan rikta in sig på en specifik cell med ett ligand-receptorkomplex. Andra tillämpningar av peptidamfifiler är användning i antimikrobiella medel, hudvård och kosmetika, och även genleverans för att nämna några.
Ansökningar
Den modulära karaktären hos kemin tillåter inställning av både de mekaniska egenskaperna och bioaktiviteterna hos de resulterande självmonterade fibrerna och gelerna. Bioaktiva sekvenser kan användas för att binda tillväxtfaktorer för att lokalisera och presentera dem vid höga densiteter till celler, eller för att direkt efterlikna funktionen hos endogena biomolekyler. Epitoper som efterliknar den adhesiva RGD-loopen i fibronektin , IKVAV-sekvensen i laminin och en konsensussekvens för att binda heparinsulfat är bara några av det stora biblioteket av sekvenser som har syntetiserats. Dessa molekyler och materialen gjorda av dem har visat sig vara effektiva för att främja cellvidhäftning, sårläkning, mineralisering av ben, differentiering av celler och till och med återhämtning av funktion efter ryggmärgsskada hos möss.
Utöver detta kan peptidamfifiler användas för att bilda mer sofistikerade arkitekturer som kan ställas in på begäran. Under de senaste åren har två upptäckter gett bioaktiva material med mer avancerade strukturer och potentiella tillämpningar. I en studie ledde en termisk behandling av peptidamfifillösningar till bildandet av stora dubbelbrytande domäner i materialet som kunde anpassas med en svag skjuvkraft till en kontinuerlig monodomängel av justerade nanofibrer. De låga skjuvkrafterna som används vid inriktning av materialet tillåter inkapsling av levande celler inuti dessa inriktade geler och föreslår flera tillämpningar för att regenerera vävnader som förlitar sig på cellpolaritet och inriktning för funktion. I en annan studie ledde kombinationen av positivt laddade peptidamfifiler och negativt laddade långa biopolymerer till bildandet av hierarkiskt ordnade membran. När de två lösningarna bringas i kontakt skapar elektrostatisk komplexbildning mellan komponenterna i varje lösning en diffusionsbarriär som förhindrar blandning av lösningarna. Med tiden driver en osmotisk tryckskillnad reptationen av polymerkedjor genom diffusionsbarriären in i peptidamfifilfacket, vilket leder till bildandet av fibrer vinkelrätt mot gränsytan som växer över tiden. Dessa material kan tillverkas i form av platta membran eller som sfäriska säckar genom att droppa en lösning i den andra. Dessa material är robusta nog att hantera mekaniskt och en rad mekaniska egenskaper kan nås genom att ändra tillväxtförhållanden och tid. De kan inkorporera bioaktiva peptidamfifiler, kapsla in celler och biomolekyler och är biokompatibla och biologiskt nedbrytbara.
Se även
Den här artikeln innehåller text av Jessica Hutchinson tillgänglig under licensen CC BY-SA 3.0 .