《Chem. Mater.》在基于多肽-多糖的自组装水凝胶网络中显示脂质链

【科研摘要】

将复杂的细胞外基质（ ECM）还原为化学定义的聚合物网络代表了理解和概括ECM生物学的诱人途径。然而，尽管脂质也是ECM的重要组成部分，但研究脂质作为合成生物材料中的模块功能（尤其是在自组装网络中）仍然具有挑战性。 最近 ， 德累斯顿工业大学Yixin Zhang 研究团队 为了建立模块化的 两亲体系，将脂质修饰引入通过肽-多糖相互作用（通过将不同长度的脂肪酸缀合至肽）而交联的非共价水凝胶体系。两亲性基质可以与疏水性药物相互作用 ，从而提高其负载效率并导致可持续释放。

物理水凝胶系统可用于封装细胞，而嵌入式间充质基质细胞则具有很高的生存力并保持免疫调节活性。此外 ， 该材料还可用于凝胶内注射，以模拟 3D模型中的药物分配，并使用人血清白蛋白（HSA）在极其温和的条件下控制快速的凝胶降解。 这种自组装的模块化系统可以提供一个多功能的工具箱，以量身定制用于工程3D模型的合成聚合物，以研究生物活性分子（例如疏水性激素和药物）以及开发可注射的治疗材料。 相关论文以题为 Displaying Lipid Chains in a Peptide–Polysaccharide-Based Self-Assembled Hydrogel Network 发表在《C hemistry of Materials 》上 。

【图文解析】

包含亲水性多肽和多糖的健壮的物理水凝胶系统可能具有引入不同亲脂性化学基团的潜力。疏水基团既不影响胶凝剂的溶解性也不影响自组装过程。已经建立了通过混合肝素和肽 -starPEG（四臂聚乙二醇）结合物形成的非共价水凝胶系统，该肽具有（BA）n的最小基序（B是赖氨酸（K）或精氨酸（R）的基本残基） ，A为丙氨酸，n为重复数）。（BA）n肽与高度硫酸化的GAG（例如肝素，硫酸乙酰肝素，硫酸软骨素，硫酸皮肤素）结合，并与高度硫酸化的合成聚合物（包括硫酸葡聚糖（DS）和导电聚合物聚（3,4-乙撑二氧噻吩））结合聚苯 乙烯磺酸盐（ PEDOT：PSS）。通过结合到硫酸化的聚合物（图1），（BA）n肽经历了从无规卷曲到α-螺旋的构象变化，这一特性对于水凝胶的形成很重要。（BA）n基序和硫酸化的聚合物是形成水凝胶的两个先决条件，但该系统对于不同类型的变化具有非常灵活的作用，包括扩展肽序列（例如，添加细胞粘附序列）或使用各种类型的多糖。根据先前的研究，推测自组装系统足够健壮，可以引入不同的亲脂性化学基团作为第三可调模量，从而将两模亲水水凝胶精制为三模两亲网络。

图 1.将疏水性基序引入肽-多糖（蓝色和橙色）水凝胶系统中。

两亲水凝胶设计

为了将各种疏水性部分作为模块化组分引入具有高水含量的非共价组装系统中，使用了两种设计（图 1A，B）。在肽合成中，不同链长的脂肪酸与N末端偶联（图1C）。 迈克尔型加成分别导致线性（脂质 -KA7-starPEG）或支链（KA7-脂质-starPEG）结构（图1C）。结合物用于与硫酸葡聚糖（DS）形成水凝胶（图1A）。或者，使用CD硫酸盐代替线性多糖（图1B）。α-，β-和γ-CD硫酸盐是分别具有六个，七个和八个葡萄糖单元的环状低聚糖（图1C）。

胶凝的流变学表征

首先使用流变仪研究两亲生物基质的胶凝动力学和刚度。 将KA7-starPEG与DS混合后，水凝胶迅速形成，而刚度逐渐增加，这是通过储能模量（图2A）和损耗因子（图2A插图）随时间变化的流变测量来监测的。与引入支链形式的C16修饰相比，呈线性形式的疏水基序（C16-肽-starPEG）（图1C）导致极慢的凝胶化。

图 2.非共价两亲性水凝胶的流变特性。

血清白蛋白降解基质

无需对细胞进行任何苛刻处理即可降解生物材料的能力（例如，使用 Matrigel时进行胰蛋白酶消化或降低温度）将对3D细胞培养实验具有许多先进的实用性。虽然脂质修饰对网络的构建有重大影响，改变了非共价体系的物理性质，但 作者 认为脂质结合大分子对凝胶化具有很强的影响。人血清白蛋白（HSA）的一个重要作用是充当血液中水溶性低的分子的载体，其中包括脂肪酸和许多激素（图3A）。

图 3.无脂质的人血清白蛋白（HSA）对C16修饰的水凝胶的影响。

基质中疏水性药物的负载和释放

假设由于非共价相互作用，两亲性基质可以增加负载量并延长疏水性药物的释放。 因此，进一步探讨了这些假设。 作者 测试了三种疏水性药物在五种不同水凝胶中的负载量（图4A）。 然后，测试了五种水凝胶中 CsA-Cy5的释放（图4B）。正如预期的那样，由于相对较低的药物载量，对于KA7-starPEG / DS和KA7-starPEG /β-CD硫酸盐水凝胶而言，释放的化合物量较低，而与基质的弱相互作用导致快速释放。相反，对于KA7-C16-starPEG / DS，化合物的释放量较高，而随时间的释放百分比则较慢。KA7-C8-starPEG / DS介于两者之间。

图 4.疏水性药物的负载和释放。

3D药物分割

然后，使用可注射系统建立了一个模型来研究 3D矩阵中的药物分配。药物从植入物的释放不仅取决于药物与材料的相互作用，还取决于与周围组织的相互作用。在水溶液中的释放研究不能完全概括药物在组织中的分配。在证明物理水凝胶是剪切稀化和自我修复的材料，并且脂质修饰可以影响疏水性药物的扩散后，设计了凝胶凝胶注射实验来模拟环境依赖性药物在3D中的释放。

剪切稀化和自修复的可逆网络不仅允许注入，而且还可以用作支撑支架，因为聚合物可以变形并重新排列以容纳注入的材料（图 5）。

图 5.凝胶中凝胶探索的3D玫瑰孟加拉分区。

用于 3D细胞培养的两亲水凝胶

然后，研究了两亲性凝胶支持 3D细胞培养的实用性。在与DS或β-CD硫酸盐形成凝胶之前，将间充质基质细胞（MSC）与肽（-脂质）-PEG共轭物预混（图6A）。胶凝速率是包埋细胞的重要参数。向DS或β-CD硫酸盐中添加KA7-脂质-starPEG或KA7-starPEG导致从液体快速转变为粘弹性材料（图2A插图），从而防止细胞下沉并沉降到板底部。

图 6.非共价水凝胶中MSC的3D细胞培养。

为了证明封装的 MSC不仅显示出高生存力，而且还保持了其免疫调节能力，这是载有细胞的可注射材料的最重要的潜在临床应用之一，进行了T细胞增殖试验。将带有或不带有包封的MSC的KA7-starPEG/DS和KA7-C8-starPEG/DS水凝胶与CD3/CD28刺激的同种异体外周血单核细胞（PBMC）共培养。6天后，通过流式细胞术定量CD45+/CD3+细胞分数。如图7所示，与没有嵌入MSC的材料相比，两种充满细胞的材料均表现出明显更高的免疫抑制作用。因此，载有MSC的水凝胶与在2D基质上培养的细胞相似，能够抑制PBMC的增殖。

图 7.载有MSC的非共价水凝胶的免疫调节能力。

【总结】

如果组织的复杂性可以减少为几种类型的分子，则可以将它们视为由多肽，碳水化合物和亲脂性分子组成的自组织水合网络。 基于通过多肽 /多糖硫酸盐相互作用而交联的物理水凝胶系统，已成功引入亲脂性成分。与常规的两亲性材料不同，疏水性相互作用不是自组装过程的关键驱动力，因此可以在亲水性网络中显示高浓度的脂质部分作为模块化成分。 凝胶化主要是通过肽和硫酸化多糖之间的相互作用来介导的。脂质链之间的疏水相互作用是网络中的次要力量，而增加脂质链的长度会增加胶凝和自愈率。然而，当网络中的亲脂性组分进一步增加时，例如，用高浓度的Rapa或白蛋白，该肽和硫酸化多糖之间的相互作用形成的网络可能被破坏。值得注意的是，通过添加HSA，可逆网络可以在极其温和的条件下分解。由于疏水性部分的存在，所得材料显示出疏水性药物的增加的负载和延长的释放。这些材料与3D细胞培养物兼容，并可用作挤出和支持基材以进行注射/打印。模块化系统可用于设计定制的材料以概括各种生物微环境，特别是用于开发3D模型以研究疏水性药物和激素（例如视黄酸和类固醇激素）时。此外，已经证明载有MSC的水凝胶具有强大的免疫调节作用，并且将来会在临床前和临床环境中评估载有细胞的亲 水性和两亲性材料。

参考文献： doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c04105

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