自组装多肽支架材料的研究进展

自组装多肽是一 种 相 容 性 良 好、活 性 较 高 的 生 物 材料，早在１９９３年张曙光教授等 发 ［６］ 现一种可自 组 装 的离子互 补 型 多 肽，并 用 这 种 多 肽 合 成 了 水 凝 胶 膜。 近年来随着科学家们 研 究 的 不 断 深 入，自 组 装 多 肽 的 设计及应用已成为材 料 科 学、组 织 工 程 等 领 域 中 的 研 究热点之一。自组装 多 肽 具 有 以 下 特 点：① 其 多 肽 序 列 来 源 于 自 然 界 ；② 多 肽 序 列 可 根 据 需 要 进 行 修 改 ；③ 无毒副反应及免疫反 应；④ 具 有 良 好 的 表 面 活 性 和 生 物相容性；⑤可生物 降 解，且 降 解 产 物 为 氨 基 酸 单 体， 可作为生物体营养物 质 的 来 源；⑥ 易 于 获 取 或 人 工 设 计［７］。因此，自组装 多 肽 有 望 在 组 织 工 程 中 用 作 创 伤 修复的支架材料。
【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】 ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｐｅｐｔｉｄｅｓ；ｎａｎｏｆｉｂｅｒ；ｔｉｓｓｕｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｃａｆｆｏｌｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
１ 引 言
组织、器官的损伤 或 功 能 障 碍 是 严 重 影 响 患 者 生 活质量并且给社会带来严重经济负担的疾病之一。目 前 ，组 织 工 程 是 一 种 重 要 的 治 疗 手 段 ，其 基 本 原 理 是 将 种子细胞经体外培养 扩 增 后，接 种 于 具 有 一 定 生 物 特 性 的 三 维 多 孔 支 架 材 料 上 ，再 将 这 种 细 胞／支 架 复 合 体 植 入 组 织 、器 官 的 受 损 部 位 ，在 细 胞 不 断 增 殖 并 分 泌 基 质 的 同 时 ，支 架 材 料 逐 步 降 解 并 被 人 体 吸 收 ，最 终 形 成
（西北工业大学生命学院，空间环境模拟技术国防重点学科实验室，陕西 西安 ７１００７２）
【摘 要】 多肽分子可以利用氢键、疏水性作用、π－π 堆积作用等非共价键力自组装形成形态与结 构 特 异 的 多 肽 分 子 聚 集 体 ，如来自百度文库分 子 积 木 、分 子 开 关 、分 子 涂 料 及 纳 米 纤 维 等 ，由 于 多 肽 分 子 良 好 的 生 物 相 容 性 和 可 调 控 的 降 解 性 ，自 组 装 多 肽 在 组 织 工 程 、药 物 缓 释 等 方 面 表 现 出 巨 大 的 应 用 潜 力 。 本 文 总 体 介 绍了多肽自组装的几种结构模型及自组装的设计原则，重点叙述了自组装 多 肽 作 为 组 织 工 程 支 架 材 料 的研究进展。
２．２ 分 子 开 关 这类多肽之所以成 为 新 一 代 纳 米 启 动 装 置 的 “分
子开关”［１１］，主 要 原 因 是 其 二 级 结 构 会 在 外 界 条 件 如
温度、ｐＨ 等改变时发 生 构 象 的 变 化，从 而 在 分 子 元 件 中可利用 此 结 构 突 变 控 制 其 开 关。 代 表 性 的 多 肽 有 ＤＡＲ１６－Ⅳ 和 ＥＡＫ１２ 等。 如 ＤＡＲ１６－Ⅳ 由 １６ 个 氨 基
【关 键 词 】 自 组 装 多 肽 ；纳 米 纤 维 ；组 织 工 程 ；支 架 材 料 中 图 分 类 号 ：Ｑ８１９ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｓｃａｆｆｏｌｄｓ
ＷＡＮＧ Ｙｕｎ－ｑｉｎｇ，ＬＵ Ｔｉｎｇ－ｌｉ，ＣＨＥＮ Ｔｉｎｇ，ＭＡ Ｙｕ－ｆａｎ，ＺＨＡＯ Ｗｅｎ，ＣＨＥＮ Ｔａｏ
新 的 具 有 与 原 形 态 和 功 能 相 似 的 组 织 ，达 到 对 组 织 、器 官修复或重建的目的。组织工程包括三个基本要素： ①种子细胞；②支 架 材 料；③ 信 号 因 子。 其 中，支 架 材 料 为 种 子 细 胞 的 黏 附 、生 长 提 供 了 良 好 的 三 维 结 构 ，同 时其内部足够大的表 面 积 与 空 间，有 利 于 营 养 物 质 的 输送与代谢废物的 排 出。 因 此，支 架 材 料 是 组 织 工 程 的关键要素之一 。 ［１］
本文就自组装多肽支架材料在组织工程中的研究 进展作一综述。
２ 自 组 装 多 肽 的 定 义 、分 类 及 设 计 原 则
自组装多肽 是 ［８］ 多 肽 分 子 之 间 通 过 氢 键、静 电 相 互作用、疏水相互作 用 等 非 共 价 键 自 发 形 成 的 稳 定 的 聚集体，由此可得 到 不 同 结 构 和 功 能 的 材 料。 自 组 装 多 肽 是 在 单 体 水 平 上 设 计 、合 成 高 度 有 序 的 纳 米 结 构 ， 并且合成不可逆。
第３０卷 第２期 Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．２
材 料 科 学 与 工 程 学 报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
文 章 编 号 ：１６７３－２８１２（２０１２）０２－０３２４－０６
总第１３６期 Ａｐｒ．２０１２
自组装多肽支架材料的研究进展
王 韵 晴 ，卢 婷 利 ，陈 婷 ，马 玉 樊 ，赵 雯 ，陈 涛
自组装多肽的 种 类 很 多［９］，根 据 其 特 征 和 功 能 的 不同，可 划 分 为：分 子 积 木 （Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ‘Ｌｅｇｏ’）、分 子 开 关 （Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ‘Ｓｗｉｔｃｈ’）、分 子 涂 料 （Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ‘Ｖｅｌｃｒｏ’）、纳 米 微 管 （Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）和 分 子 胶 囊 （Ｎａｎｏｖｅｓｉｃｌｅｓ），如 图 １ 所 示 。 ２．１ 分 子 积 木
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材料科学与工程学报
２０１２ 年 ４ 月
酸组成，室温下 可 形 成 ５ｎｍ 长 的 β－折 叠 结 构，但 是 在 高温条件下（７０℃ 以 上 ）则 会 突 变 为 ２．５ｎｍ 的 α－螺 旋 结构。 ２．３ 分 子 涂 料
多 肽 “分 子 涂 料 ”可 在 材 料 的 表 面 经 过 自 组 装 形 成 一 层 覆 盖 层 ，从 而 改 善 材 料 表 面 的 生 物 活 性 ，为 细 胞 的 黏附、生长和增殖 提 供 一 定 的 物 质 基 础。 此 类 多 肽 由 三部分组成：①与特 异 的 细 胞 识 别 和 黏 附 有 关 的 配 体 区 ；② 与 材 料 表 面 共 价 结 合 的 锚 定 区 ；③ 将 二 者 分 隔 的 连接区。 代 表 性 的 多 肽 有 ＲＡＤＳＣ－１４（ＲＡＤＳＲＡＤＳ ＡＡＡＡＡＣ）和 ＲＡＤＳＣ－１６等，二 者 均 可 在 ＥＧ６ＳＨ（化 学分子式为 ＨＳ（ＣＨ２）１１ （ＯＣＨ２ＣＨ２）６ＯＨ，化 学 名 为 寡聚乙二醇结尾硫 醇）表 面 形 成 自 组 装 单 层。 这 些 短 肽具有三种特征：① 肽 的 末 端 配 位 基 可 与 一 些 功 能 基 团 结 合 ，从 而 被 其 它 分 子 识 别 ；② 其 中 心 的 配 位 基 既 能 自 由 地 相 互 作 用 ，又 能 决 定 肽 的 韧 性 ；③ 肽 表 面 的 某 些 官能团之间形成共价键。根据配体和锚定基团设计的 不同［１２］，多肽“分子涂料”可被 用 于 特 定 种 类 细 胞 的 识 别和不同基质材料的 表 面 修 饰，进 而 为 细 胞 间 的 信 息 传递和细胞功能的研究提供新方法。 ２．４ 纳 米 微 管 和 分 子 胶 囊
第 ３０ 卷 第 ２ 期
王 韵 晴 ，等 ．自 组 装 多 肽 支 架 材 料 的 研 究 进 展
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免 疫 反 应 和 炎 症 达 到 最 小 ；⑤ 生 物 降 解 速 率 可 调 控 ；⑥ 与水溶液或生理环境 有 良 好 的 化 学 相 容 性；⑦ 几 何 特 性易于控制；⑧易于生产、纯化和处理 。 ［２－５］
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｐｅｐｔｉｄｅ ｃａｎ ｓｅｌｆ ａｓｓｅｍｂｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｏｎｃｏｖａｌｅｎｔ ｂｏｎｄ ａｃｔｉｏｎ，ｓｕｃｈ ａｓ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄ， ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ ａｎｄ π－π ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｆｏｒｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｐｔｉｄｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｓ，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ， ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｒｉｃｋ， ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｗｉｔｃｈ， ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐａｉｎｔ ａｎｄ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ． Ｔｈｅｓｅ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｐｅｐｔｉｄｅｓ ａｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅｉｒ ｇｏｏｄ ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｉｓｓｕｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｓｔａｉｎｅｄ ｄｒｕｇ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｓ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｐｅｐｔｉｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｆｏｒ ｐｅｐｔｉｄｅ ｄｅｓｉｇｎｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｓｅｌｆ－ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｐｅｐｔｉｄｅ ｓｃａｆｆｏｌｄｓ ｉｎ ｔｉｓｓｕｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．
由于具有亲水与 疏 水 性 质 截 然 不 同 的 表 面，如 图 ２所示，此类多 肽 能 像 积 木 的 楔 和 孔 一 样 自 组 装 成 不
图 １ 自 组 装 多 肽 的 分 类［１０］ Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｐｅｐｔｉｄｅｓ［１０］
同的结构，因而 被 称 为 多 肽 “分 子 积 木”［６］。 代 表 性 的 多 肽 有 ＲＡＤ１６ 和 ＥＡＫ１６（ＡＥＡＥＡＫＡＫＡＥＡＥＡＫ ＡＫ）等。这 些 多 肽 可 以 在 分 子 水 平 自 组 装 成 β－折 叠 结构，即在亲水面 往 复 形 成 互 补 离 子 键。 这 些 互 补 离 子 面 又 可 根 据 其 上 带 “正 ”或 “负 ”电 荷 的 氨 基 酸 残 基 排 列 顺 序 的 不 同 ，分 为 Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 和 混 合 类 模 式 ，其 中 ， 模式Ⅰ为－＋－＋ － ＋ － ＋ 的 顺 序，模 式 Ⅱ 为 － － ＋ ＋ － － ＋ ＋ 的 顺 序 ，模 式 Ⅲ 为 － － － ＋ ＋ ＋ 的 顺 序 ，模 式Ⅳ为－－－－＋ ＋ ＋ ＋ 的 顺 序 （从 碳 端 到 氮 端），不 同的顺序能 够 实 现 不 同 形 式 的 自 组 装，如 图 ３ 所 示。 ＲＡＤ１６就是带正电 的 氨 基 酸 残 基 （精 氨 酸 Ｒ）和 带 负 电的氨基酸残基（天 冬 氨 酸 Ｄ）被 疏 水 性 残 基 （丙 氨 酸 Ａ）分 开 ，从 而 形 成 “分 子 积 木 ”。
一 般 来 讲 ，理 想 的 组 织 工 程 支 架 材 料 应 该 具 备 ：① 存 在 易 于 设 计 和 修 饰 的 基 本 单 元 ；② 无 细 胞 毒 性 ；③ 能 够促进或抑制细胞与 材 料 之 间 的 相 互 作 用；④ 引 发 的
收 稿 日 期 ：２０１１－０３－１６；修 订 日 期 ：２０１１－０５－１６ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２０８７２１１９），陕 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２０１０ＪＭ２０２１） 作 者 简 介 ：王 韵 晴 （１９８７－ ），女 ，陕 西 汉 中 人 ，硕 士 研 究 生 ，现 在 从 事 医 用 高 分 子 材 料 的 研 究 。 通 讯 作 者 ：卢 婷 利 ，副 教 授 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｔｉｎｇｌｉｘｉｎｘｉｎ＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
图 ２ 自 组 装 多 肽 的 分 子 单 体 及 纳 米 纤 维 示 意 图 Ｆｉｇ．２ Ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｐｅｐｔｉｄｅ
ｍｏｎｏｍｅｒ ａｎｄ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ
图３ ＲＡＤＡ１６－Ⅰ，ＲＡＤＡ１６－Ⅱ，ＥＡＫ１６－Ⅰ和 ＥＡＫ１６－Ⅱ的分子模型 Ｆｉｇ．３ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ＲＡＤＡ１６－Ⅰ，ＲＡＤＡ１６－Ⅱ，ＥＡＫ１６－Ⅰ ａｎｄ ＥＡＫ１６－Ⅱ