Amfifil peptydowy
Amfifile peptydowe (PA) to cząsteczki oparte na peptydach , które samoorganizują się w nanostruktury supramolekularne, w tym; sferyczne micele, skręcone wstążki i nanowłókna o wysokim współczynniku kształtu . Peptyd amfifilowy typowo zawiera hydrofilową sekwencję peptydową przyłączoną do ogona lipidowego, tj. hydrofobowy łańcuch alkilowy o 10 do 16 atomach węgla. Dlatego można je uznać za rodzaj lipopeptydu . Specjalny rodzaj PA składa się z naprzemiennie naładowanych i neutralnych reszt, w powtarzającym się wzorze, takim jak RADA16-I. PA zostały opracowane w latach 90. i na początku XXI wieku i mogą być stosowane w różnych dziedzinach medycyny, w tym: nanonośnikach, nanolekach i środkach do obrazowania. Być może jednak ich główny potencjał tkwi w medycynie regeneracyjnej w hodowli i dostarczaniu komórek i czynników wzrostu.
Historia
Amfifile peptydowe zostały opracowane w latach 90. Zostały one po raz pierwszy opisane przez grupę Matthew Tirrella w 1995 roku. Te pierwsze zgłoszone cząsteczki PA składały się z dwóch domen: jednej o charakterze lipofilowym, a drugiej o właściwościach hydrofilowych, które umożliwiały samoorganizację w sferopodobne struktury supramolekularne w wyniku połączenie domen lipofilowych z dala od rozpuszczalnika (efekt hydrofobowy), w wyniku czego powstał rdzeń nanostruktury. Pozostałości hydrofilowe zostają wystawione na działanie wody, co powoduje powstanie rozpuszczalnej nanostruktury.
Praca w laboratorium Samuela I. Stuppa przeprowadzona przez Hartgerinka i wsp. na początku XXI wieku doniosła o nowym typie PA, który jest w stanie samoorganizować się w wydłużone nanostruktury. Te nowe PA zawierają trzy regiony: hydrofobowy ogon, region aminokwasów tworzących arkusz beta i naładowany epitop peptydowy zaprojektowany tak, aby umożliwić rozpuszczanie cząsteczki w wodzie. Ponadto PA mogą zawierać epitop kierujący lub sygnalizujący, który umożliwia utworzonym nanostrukturom pełnienie funkcji biologicznej, kierowania lub sygnalizowania, poprzez interakcję z systemami żywymi. Mechanizm samoorganizacji tych PA jest połączeniem wiązań wodorowych między aminokwasami tworzącymi arkusze beta i hydrofobowym zapadaniem się ogonów, w wyniku czego powstają cylindryczne micele , które prezentują epitop peptydowy w niezwykle dużej gęstości na powierzchni nanowłókien. Zmieniając pH lub dodając przeciwjony w celu ekranowania naładowanych powierzchni włókien, można tworzyć żele. Wykazano, że wstrzyknięcie peptydowych roztworów amfifilowych in vivo prowadzi do powstania żelu in situ z powodu obecności przeciwjonów w roztworach fizjologicznych. To, wraz z całkowitą biodegradowalnością materiałów, sugeruje liczne zastosowania w terapiach in vitro i in vivo .
Struktura
Większość samoorganizujących się cząsteczek jest amfifilowych , co oznacza, że mają zarówno charakter hydrofobowy , jak i hydrofilowy . Amfifile peptydowe to klasa cząsteczek składających się z hydrofobowych i hydrofilowych sekwencji peptydowych lub peptydu hydrofilowego z przyłączoną grupą hydrofobową, którą jest zwykle łańcuch alkilowy . Struktura amfifilów peptydowych ma cztery kluczowe domeny. Po pierwsze, występuje sekcja hydrofobowa, zazwyczaj łańcuch alkilowy. Po drugie, istnieje sekwencja peptydowa, która tworzy międzycząsteczkowe wiązania wodorowe. Po trzecie, istnieje sekcja naładowanych reszt aminokwasowych w celu zwiększenia rozpuszczalności peptydu w wodzie. Ostateczna cecha strukturalna umożliwia interakcję peptydu z biomolekułami, komórkami lub białkami, często poprzez epitopy (część antygenów rozpoznawanych przez układ odpornościowy).
Podobnie jak w przypadku innych cząsteczek amfifilowych, powyżej krytycznego stężenia agregacji amfifile peptydowe łączą się poprzez oddziaływania niekowalencyjne, tworząc uporządkowane zespoły o różnych rozmiarach, od nanometrów do mikronów. Cząsteczki, które zawierają zarówno pierwiastki polarne, jak i niepolarne, minimalizują niekorzystne oddziaływania ze środowiskiem wodnym poprzez agregację, co umożliwia wystawienie ugrupowań hydrofilowych na działanie środowiska wodnego i ochronę ugrupowań hydrofobowych. Kiedy dochodzi do agregacji, można tworzyć różne zespoły w zależności od wielu parametrów, takich jak stężenie, pH, temperatura i geometria. Utworzone zespoły obejmują micele do struktur dwuwarstwowych , takich jak pęcherzyki , a także fibryle i żele .
Micele składają się z hydrofobowego rdzenia wewnętrznego otoczonego hydrofilową powłoką zewnętrzną, która jest wystawiona na działanie rozpuszczalnika, a ich strukturą mogą być kulki, dyski lub zespoły przypominające robaki. Micele tworzą się spontanicznie, gdy stężenie przekracza krytyczne stężenie miceli i temperaturę. Amfifile o średnim poziomie hydrofobowości wolą składać się w dwuwarstwowe pęcherzyki. Pęcherzyki to kuliste, wydrążone, blaszkowate struktury otaczające wodny rdzeń. Ugrupowanie hydrofobowe jest skierowane do wewnątrz i tworzy wewnętrzną sekcję dwuwarstwy, a ugrupowanie hydrofilowe jest wystawione na działanie środowiska wodnego na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej. Struktury miceli mają hydrofobowe wnętrze i hydrofilową powierzchnię zewnętrzną.
Zwykle istnieje wyraźny związek między amfifilowym charakterem peptydu a jego funkcją, ponieważ charakter amfifilowy określa właściwości samoorganizacji, a to z kolei nadaje peptydowi jego funkcjonalność. Poziom amfifilowości może się znacznie różnić w peptydach i białkach; jako takie mogą wykazywać regiony o charakterze hydrofobowym lub hydrofilowym. Przykładem tego jest cylindryczna struktura α-helisy , ponieważ może ona zawierać sekcję reszt hydrofobowych wzdłuż jednej powierzchni cylindra i sekcję hydrofilową reszt po przeciwnej stronie cylindra. Dla arkusza β struktur, łańcuch peptydowy może składać się z naprzemiennych reszt hydrofilowych i hydrofobowych, tak że łańcuchy boczne reszt są widoczne na przeciwległych stronach arkusza. W błonie komórkowej peptydy fałdują się w helisy i arkusze, aby umożliwić interakcję niepolarnych reszt z wnętrzem błony i umożliwić ekspozycję reszt polarnych na działanie środowiska wodnego. Ta samoorganizacja pozwala peptydom na dalszą optymalizację ich interakcji z otoczeniem.
Amfifile peptydowe są bardzo przydatne w zastosowaniach biomedycznych i mogą być wykorzystywane jako środki terapeutyczne do leczenia chorób poprzez transport leków przez błony do określonych miejsc. Następnie mogą być metabolizowane do lipidów i aminokwasów, które następnie są łatwo usuwane w nerkach. Dzieje się tak dzięki temu, że hydrofobowy ogon jest w stanie przejść przez błonę komórkową, umożliwiając epitopowi peptydowemu skierowanie się do określonej komórki przez kompleks ligand-receptor. Inne zastosowania amfifilów peptydowych to między innymi środki przeciwdrobnoustrojowe, produkty do pielęgnacji skóry i kosmetyki, a także dostarczanie genów.
Aplikacje
Modułowy charakter chemii umożliwia dostrojenie zarówno właściwości mechanicznych, jak i bioaktywności powstałych samoorganizujących się włókien i żeli. Sekwencje bioaktywne można wykorzystać do wiązania czynników wzrostu w celu ich zlokalizowania i prezentacji w komórkach z dużą gęstością lub do bezpośredniego naśladowania funkcji endogennych biomolekuł. Epitopy naśladujące adhezyjną pętlę RGD w fibronektynie , sekwencję IKVAV w lamininie i sekwencję konsensusową do wiązania siarczanu heparyny to tylko niektóre z dużej biblioteki sekwencji, które zostały zsyntetyzowane. Wykazano, że te cząsteczki i wykonane z nich materiały są skuteczne w promowaniu adhezji komórek, gojeniu się ran, mineralizacji kości, różnicowaniu komórek, a nawet przywracaniu funkcji po urazie rdzenia kręgowego u myszy.
Oprócz tego amfifile peptydowe można wykorzystać do tworzenia bardziej wyrafinowanych architektur, które można dostroić na żądanie. W ostatnich latach dwa odkrycia przyniosły materiały bioaktywne o bardziej zaawansowanych strukturach i potencjalnych zastosowaniach. W jednym z badań obróbka termiczna peptydowych roztworów amfifilowych doprowadziła do powstania w materiale dużych dwójłomnych domen, które można było wyrównać za pomocą słabej siły ścinającej w jeden ciągły żel jednodomenowy wyrównanych nanowłókien. Niskie siły ścinające stosowane do wyrównywania materiału umożliwiają enkapsulację żywych komórek wewnątrz tych wyrównanych żeli i sugerują kilka zastosowań w regeneracji tkanek, które polegają na polaryzacji komórek i dopasowaniu do funkcji. W innym badaniu połączenie dodatnio naładowanych peptydów amfifilowych i ujemnie naładowanych długich biopolimery doprowadziło do powstania hierarchicznie uporządkowanych membran. Kiedy dwa roztwory stykają się, kompleksowanie elektrostatyczne między składnikami każdego roztworu tworzy barierę dyfuzyjną, która zapobiega mieszaniu się roztworów. Z biegiem czasu różnica ciśnień osmotycznych napędza replikację łańcuchów polimerowych przez barierę dyfuzyjną do przedziału peptydowego amfifilu, co prowadzi do tworzenia włókien prostopadłych do granicy faz, które z czasem rosną. Materiały te można wytwarzać w postaci płaskich membran lub kulistych torebek przez wpuszczanie jednego roztworu do drugiego. Materiały te są wystarczająco wytrzymałe, aby poradzić sobie mechanicznie, a poprzez zmianę warunków wzrostu i czasu można uzyskać dostęp do szeregu właściwości mechanicznych. Mogą zawierać bioaktywne amfifile peptydowe, kapsułkować komórki i biocząsteczki oraz są biokompatybilne i biodegradowalne.
Zobacz też
Ten artykuł zawiera tekst Jessiki Hutchinson dostępny na licencji CC BY-SA 3.0 .