自组装多肽水凝胶的制备及其在细胞培养上的应用

杨淇森

摘 要：在生命科学的研究中，多肽自组装是一个相对前沿的领域，而基于多肽的水凝胶又是一种新型的生物材料，具有易于设计合成、制备简单、生物相容性好的特點。本文从多肽分子自身组装及外源分子辅助多肽自组装两个方面系统地总结了自组装多肽水凝胶的制备方法，并对当前多肽水凝胶的应用热点做出了评述，以期对多肽水凝胶未来的研究提供参考。

关键词：自组装多肽水凝胶；细胞培养；制备方法

中图分类号：R318 文献标志码：A

0 引言

随着科技的迅速发展，生活水平的提高，人们对于新型材料的需求日益迫切，现有的材料无法满足生产实践，于是人们把目光投向了生物材料，尤其是水凝胶。水凝胶是一种以水为分散介质的凝胶，具有三维的空间结构。多肽基水凝胶指的是以多肽大分子为主要构件元件的形成的凝胶，在检测、医疗、和食品等领域有广泛的应用。多肽水凝胶的形成方式包括两种，一种是通过化学交联，其产物被称为化学凝胶。这种结合方式形成的水凝胶强度大，但是对反应条件要求高，同时产物难以具有响应性。

另一种则是通过非共价相互作用如氢键、范德华力、静电作用等物理作用力进行结合，即大分子自组装，其产物通常被称为物理凝胶。这种结合方式反应条件简单，无需复杂的设备，组装体系对于外界环境改变较为敏感，可以有效感知外界温度、光、pH等条件，还具有一定的生物相容性。本文系统地总结了自组装多肽水凝胶的制备方法，并对当前多肽水凝胶的应用热点做出了评述，以期对多肽水凝胶未来的研究提供参考。

1 自组装多肽水凝胶的制备方法

1.1 多肽分子自身组装形成水凝胶

通过对多肽分子的构成氨基酸序列进行理性设计，可以使得多肽分子之间通过氢键、范德华力、疏水作用力等等自发组装，当浓度达到一定程度时，便可形成多肽水凝胶。比如2012年，康艳晶等人通过氨水挥发调整溶液pH值的方法，将多肽链pal-RLRRLRARARA自组装形成了pH响应性的智能水凝胶。在常温下，由于中性及酸性条件下的精氨酸带正电，上述多肽链由于静电斥力无法形成凝胶，当溶液呈碱性时多肽链间的斥力减小，从而形成凝胶；除此之外，2012年周庆翰等人，利用天然蚕丝纤维优良的力学性能及良好的生物相容性设计了多肽序列RAG-16 （Ac-RADAGAGARADAGAGA-NH2），并利用精氨酸和天冬氨酸之间的静电相互作用及链间疏水作用自组装制备了RAG-16水凝胶。其储能模量高达2723.9Pa，并且拥有良好的生物相容性。

1.2 外源分子辅助多肽自组装制备水凝胶

由于大部分多肽链本身并不具备直接自组装成凝胶的性能，在这种情况下，我们可以通过向体系中引入一些能够起到桥连作用的分子，诱导水凝胶的形成。通常采用的桥连剂包括蛋白质、金属离子、小分子表面活性剂等等。

南开大学的Xiaoli Zhang 等人设计了可自组装成纤维束的多肽链Nap-GEFYGGGWRESAI，但此种纤维束无法进一步自发形成水凝胶。于是，他们在实验中引入了一种四聚体粘合蛋白ULD-TIP-1，这种蛋白将本来结合较为松散的多肽链组装成的纤维束结合地更加紧密，相互连接形成网状结构。

2015年，苏州大学的张芳研究了表面活性剂N-月桂酰肌氨酸钠对诱导丝素蛋白形成水凝胶的影响，该分子可以包裹在蛋白质分子的表面，由于多肽表面的电荷被屏蔽，分子间的斥力减弱，其分子无规卷曲向β折叠结构发生改变从而形成水凝胶，这种水凝胶生物相容性良好，有一定的抗菌性能，在医学上有着广阔的应用空间。

2011年Christopher M. Micklitsch 等人合成了多肽序列ZnBHP：IKVKIKVKVDPPTKIKVKIK， 多肽链的末端包括一个非天然氨基酸，该氨基酸具有两个羧基残基，可以与Zn2+络合。在缺乏金属离子的溶液环境下，多肽以非折叠状态溶于缓冲溶液中，在富含Zn2+的溶液中，Zn2+与多肽链末端的非天然氨基酸结合，中和了多肽链自带的负电荷，使肽链整体呈电中性，诱导多肽链折叠并在疏水相互作用的促使下，进一步自组装成富含β折叠片状结构的水凝胶。

类似的工作还有，Lin Chen等人设计了萘功能化的二肽，这种二肽具有一端亲水一端疏水的结构，在一定浓度下先组装成胶束，随着浓度的升高，再自组装成蠕虫状结构。此时，向溶液中加入盐离子，在一定的pH条件下，盐离子可与蠕虫状结构上下两条链中的羧基结合，从而诱导水凝胶的形成。

2 自组装多肽水凝胶在细胞培养上的应用

通过自组装的方法制备出来的多肽水凝胶较之其他材料有着许多的优势。一般来说，多肽链的结构组成易于根据具体需求来设计且合成方便，易于大规模制备；同时，多肽水凝胶常常具备一定的响应性，比如随着周围环境如pH、温度的变化而变化；再者，多肽水凝胶的基本组成单元是氨基酸，所以其生物相容性高，并且降解后无毒，因此该类水凝胶常用在细胞培养上，给细胞提供类似于体内的三维生长环境。

目前有多种可形成凝胶的多肽商品化，的比较典型的是RADA16，如Todd C. Holmes使用重新设计的RAD16 I、II自组装成水凝胶，并将小鼠的神经细胞种植在其上，经过一段时间的培养，小鼠神经细胞状态良好并且形成了突触，接着将该体系注入小鼠体内，结果表明小鼠未出现免疫排斥及炎症反应。

张峰等人将成骨细胞MC3T3-E1在RADA16水凝胶上培养，发现MC3T3-E1细胞能够在凝胶上很好地黏附、伸展和增殖，有较高水平的ALP、OC表达及矿化基质沉积，成骨基因RUNX2、AKP-2、OSX正常表达且其表达量随着时间的推移不断升高。

在此基础上，赵刚等人将能够阻断细胞壁上肿瘤坏死因子信号通路的寡肽NBD与RADA16共混，制备出自组装水凝胶，对比了NBD与RADA16共混水凝胶与单纯RADA16水凝胶对小鼠前成骨细胞MC3T3-E1增值及分化的影响，发现成骨细胞在NBD与RADA16共混凝胶中成长情况比在单纯RADA16中良好。除了培养成骨细胞，刘子佳等人还用RADA16-I培养了乳腺癌细胞MDA-MB-231，发现其生长状态良好，呈现纺锤状，证明RADA16-I支持肿瘤细胞三维培养。endprint

3 展望

本文介绍了多种自组装多肽水凝胶的制备方法，这些方法方便高效 、同时可赋予水凝胶材料一些新的性能，极大地拓展了水凝胶的应用范围，在实践中有着广泛的应用空间。本文还重点介绍了多肽水凝胶在细胞培养方面的应用，由于其生物相容性好且能为细胞生长提供三维的环境，可以促进细胞的生长及分化。正是基于自组装多肽水凝胶的诸多优势，未来该水凝胶还可能在新物种培育、生物制品检验、生物医学等方面有着更加深入的应用。

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