自组装多肽骨修复水凝胶的研究进展

徐 柳，徐 姗，相堂永，沙政舟，张 键，陈志鹏

（南京中医药大学药学院，南京 210023）

随着高强度体育活动的流行和人口老龄化加剧，我国每年因各种原因导致的骨伤患者达数百万，尤其是60岁以上的老人，而骨质疏松直接导致骨折率上升。另外，由于年龄的增加，骨折部位血管新生、淋巴循环以及祖细胞等机能降低，受损骨组织的自我修复功能受限，导致病程延长［1］，患者长期卧床极易导致褥疮、肺部感染、尿路感染、四肢静脉栓塞等并发症，严重时发生血栓脱落易导致脑梗塞、脑卒中、心肌梗死等致命性疾病，使得与骨创伤相关医疗和社会经济成本急剧上升，给患者和社会带来严重负担。因而，寻找一种快速修复受损骨组织，缩短患者病程的治疗策略具有重要的临床和社会意义［2］。目前，临床上骨缺损的治疗主要包括：自体骨或异体骨移植［3］、支架固定［4］、陶瓷［5］、生物玻璃［6］、骨水泥［7］、脱矿骨基质［8］、聚合物［9］填充等。但免疫排斥、感染等原因严重限制了移植在临床上的应用。据世界卫生组织统计，全球能够成功进行移植手术的患者不到10%［10］。此外，陶瓷、生物玻璃和骨水泥等传统生物材料由于缺乏成骨诱导性，其对骨再生的促进作用也是有限的。因此，开发具有成骨诱导的生物材料是促进骨再生的重要发展方向。凝胶递送系统其多孔性和渗透性不仅可以用作空间填充剂以及生物活性分子的输送媒介促进组织细胞生长；还可以配备多种功能，通过提供使细胞归巢的微环境以及诱导成骨细胞分化和组织形成的微环境促进骨再生；也可以装载药物直接作用于骨缺损部位，提高药物的生物利用度，此外，骨修复凝胶可以通过微创的方式在骨缺损局部给药，与骨缺损部位紧密贴合，成为骨修复递送系统的研究热点［11］。

目前研究的可注射凝胶递送系统基质多由明胶［12］、海藻酸盐［13］、透明质酸［14］、硫酸软骨素［15］、聚乙二醇［16］、和聚乙烯醇［17］等构成。与传统材料相比，自组装多肽分子通过多种非共价相互作用组装成稳定的结构，其形成过程是从分子到纳米纤维再到最终水凝胶网络，通常表现出层次化的微观结构［18］，且自组装多肽水凝胶结构与细胞外基质（ECM）相似，降解速率与许多组织的生长速率相适应，是理想的组织工程的支架［19］。通过设计和调控多肽序列，能够实现对外界刺激（pH、温度、压力等）产生良好的响应能力和靶向识别能力，这些赋予了多肽凝胶材料作为药物载体在药物递送领域中的独特优势［20］。此外，多肽还具有合成简单、易于功能化修饰以及降解产物（氨基酸）易于清除或重新吸收等优点，成为凝胶递送系统研究的新星［21］。本文讨论了自组装肽水凝胶在骨再生领域的最新研究进展，首先介绍了不同种类自组装多肽设计及其形成凝胶的自组装机制，然后重点总结了自组装多肽水凝胶在骨组织再生中的应用，最后讨论了自组装多肽水凝胶在骨再生领域面临的问题及未来发展方向。

1 自组装多结构特征及组装机制

1.1 自组装多肽结构特征

自组装是自然界中普遍存在的现象，例如细胞膜的形成、蛋白质折叠和DNA 双螺旋结构，这是生命科学中最重要的组成部分之一。通过模仿具有自组装功能的蛋白结构可以设计出多种具有组装功能的仿生多肽。除了仿生设计，从头设计也是自组装多肽设计的主要途径。从头设计自组装肽的关键是理解各种分子间相互作用，包括氢键、静电相互作用、π-π 堆积、范德华力和色散力、金属-配体配合物和熵力，如疏水性和排除体积相互作用［22］。此外，除了非共价作用力，共价键（例如二硫键等）也被证明能够驱动超分子组装［23］。

自组装肽的结构包括：多肽氨基酸序列即一级结构，以及相邻氨基酸之间的分子内相互作用形成的二级结构，如α-螺旋、β-折叠和无规则卷曲，以及多肽分子间形成的具有特定折叠结构的分子组装［24］。多肽的氨基酸类型和序列是组装形成的基础。Costantini 等［25］总结了ProteinDataBank（PDB）数据库中二级结构状态的氨基酸频率和趋势。具有组装能力的肽的分子结构往往具有明显的特征，如两亲性、芳香性、分散电荷或异性电荷的交替排列以及对称性。其中，两亲性多肽具有与传统表面活性剂相似的性质，即结构中包含亲水和疏水两部分。对于两亲性多肽而言，亲水性和疏水性的平衡是影响其自组装形态的关键。组装的最终结构通过调节氨基酸的类型、数量和相对位置来改变它们的两亲性特性来控制［26］。芳香肽主要是一类含有芳香族氨基酸的肽，如苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）。它们的芳香性在多肽自组装和凝胶化过程中发挥重要作用。芳香作用作为一种强相互作用可以提高多肽分子的自组装能力［27］。此外，在设计自组装多肽时，分子的对称性也十分重要，许多自组装分子都具有对称性，因为具有对称性的分子在形成组装相互作用时需要更少的接触界面种类，更易于形成聚集体［28］。

1.2 自组装多肽凝胶化机制

亲疏水作用、静电作用、氢键以及π-π 堆积等分子间相互作用是驱动多肽自组装实现凝胶化的主要作用力。亮氨酸拉链（leucine zipper，LZ）是典型的基于疏水作用形成的α-螺旋结构，这种卷曲的螺旋结构能够在疏水作用下进一步互相聚集，形成物理交联凝胶。Huang 等［29］利用亮氨酸拉链的构建了骨再生凝胶，用于负载BMP-2、VEGF 和TGF-β1 以及干细胞等，在体内表现出良好的成骨诱导作用。利用正负电荷间的静电吸引作用，Kisiday等［30］设计了以Lys-Leu-Asp（KLD）为重复序列的十二肽KLD-12，序列中K 与D 相反电荷间的静电作用驱动肽链间的交联组装形成凝胶。Zanotto等［31］构建了自组装KLD 水凝胶负载血小板生长因子和肝素结合胰岛素样生长因子-1，在体内能够促进股骨软骨缺损的再生。类似的，具有16个Glu-Ala-Lys 重复单元的多肽（EAK16）和16 个Arg-Ala-Asp-Ala 重复单元的多肽（RADA16）可以通过肽链间的氢键形成β折叠的平面，这些平面再通过静电作用进行堆叠，从而交联形成凝胶［32］。在凝胶化过程中，π-π 堆积也是形成凝胶的关键。尤其是源于淀粉样蛋白组装聚集的核心序列Phe-Phe（FF）具有很强的组装能力，被用于构建多种多肽水凝胶。例如，Zuo 等［33］利用NapFFY 制备超分子水凝胶通过共组装递送成骨生长肽，能够有效地促进颅骨再生。Ghosh 等［34］将芴甲氧羰基-二苯丙氨酸（Fmoc-FF）作为形成可注射凝胶的关键组成部分，构建了能够模拟天然骨细胞外基质的水凝胶，表现出良好的诱导成骨分化和促进钙矿化作用。

2 自组装多肽分类

2.1 胶原蛋白样多肽

胶原蛋白是细胞外基质（ECM）的主要结构成分，占人体蛋白质含量的25% ～35%。目前，已至少发现了30 余种胶原蛋白链的编码基因，可以形成16种以上的胶原蛋白分子。根据其结构和超分子组织，它们可分为原纤维形成胶原蛋白（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ和XI型）、基膜胶原蛋白（Ⅳ型）、微纤维胶原蛋白（Ⅵ型）、六边网状胶原蛋白（Ⅷ、Ⅹ型）等［35］。其中，常见的I 型、Ⅱ型和V 型胶原原纤维可构成肌腱、皮肤和骨等组织的结构主干，II 型和XI 型胶原主要构成关节软骨的纤维基质［36］。尽管不同类型的胶原蛋白在结构和功能上存在差异，但都包含三螺旋结构。胶原蛋白三螺旋结构是胶原蛋白组装聚集的结构基础，由甘氨酸-X-Y 三肽组成的重复序列，其中X 和Y 通常代表脯氨酸和羟脯氨酸，它们通过周期性链间氢键形成螺旋纤维结构［37］。在过去的几十年中，研究人员在胶原蛋白组装结构的基础上设计出了多种自组装胶原蛋白样（CLP）肽。CLP 不仅被设计用于模拟天然胶原原纤维，还能够通过π-π 堆积作用、静电吸引以及金属离子螯合组装形成高度有序的纳米结构［38］。Pires 等［39］通过改变CLP 的长度，可以产生纳米花、纳米片和纤维状网格等多种形貌。Pal等［40］在CLP的重复单元甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸（Gly-Pro-Hyp）的基础上，分别用赖氨酸和天冬氨酸取代脯氨酸（Pro）后，在静电、π-π 堆积、盐桥等多种作用力的驱动下共组装形成水凝胶，实验证明了这种仿生多肽水凝胶具有良好的生物相容性（图1）。Sun等［41］通过模拟Ⅰ型胶原蛋白纤维的形成，合成了镧系元素触发的肽组装CLP-Ln3+系统，为构建模拟天然胶原蛋白结构和功能特性的纳米纤维提供了简便而有效的策略。

2.2 离子互补型多肽

通常，离子自互补型肽的结构是由疏水氨基酸残基（丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸或苯丙氨酸）和带有正电荷（赖氨酸或精氨酸）或负电荷（天冬氨酸或谷氨酸）的亲水氨基酸残基交替排列［42］。根据带电氨基酸残基的分布不同，离子互补型肽电荷分布类型主要可分为3 种模式：模式Ⅰ“----++++”，模式Ⅱ“--++--++”和模式Ⅲ“-+-+-+-+”［43］。RADA16-Ⅰ是最典型的离子互补型自组装肽，已实现商业化（PuraMatrix®）。RADA16-Ⅰ序列中氨基酸残基电荷呈现模式Ⅰ分布，此外，由于其与RGD 序列相似，该序列构建的自组装肽水凝胶在体内外具有良好的成骨表现［44］。多肽中电荷分布模式不同，自组装形貌亦有所差异。Hu 等［45］合成了两种电荷分布的离子肽，实验结果证明有一种电荷的肽EF4E 和KF4K在同电荷排斥下只能形成窄的扭曲带和细纤维。但当将带相反电荷的E 和K 残基引入同一个条多肽序列中，形成离子互补型肽（EF4K）时，正负电荷相互中和，屏蔽了分子之间的静电排斥，组装体横向生长，最终形成宽带（图2）。通过蒙特卡罗模拟发现肽自组装纳米纤维亲水表面上带电氨基酸残基之间的静电相互作用可以稳定纤维结构，证明了静电相互作用在肽自组装过程对维持组装形态中具有重要作用［46］。当带相反电荷的氨基酸残基分布在肽序列的两端时，肽在自组装过程中倾向于采用反平行分子排列［47］。Behanna 等［48］证实在带相反电荷的氨基酸残基之间的静电吸引力作用下形成的纳米纤维具有更强的热稳定性。

Figure 1 Self-assembly and potential characterization of peptide amphiphilesA: Mechanism of self-assembly of peptide amphiphiles; B: Self-assembly of peptide amphiphiles in their respective environment, leading to hydrogel formation at different pHs through counter ion stabilization,and upon mixing them together,they showed gelation at physiological pH because of electrostatic interaction;C:Zeta potential graph showing the overall surface charge at different mixing ratios of the peptides [40]

Figure 2 Charge distribution pattern and assembly mechanism of ionic self-complementary peptidesA: Self-assembly of a peptide consisting of alanine, glutamic acid and lysine (dEAK) into nanofibers, which were then entangled into 3D scaffolds.The self-assembling process was a consequence of complementary ionic interactions between charged residues (red for negatively charged glutamic acid and blue for the positively charged lysine residues),which could have different arrangements:modulus I,----++++;modulus II,--++--++;modulus III,-+-+-+-+[49]. Mechanism of twisted ribbon,belt and fibril formation by the peptides EF4E(B),EF4K,EF4E/KF4K mixture(C),and KF4K(D)[45]

2.3 两亲性多肽

两亲性多肽（PA）是另一种典型的自组装多肽，PA 结构中主要包含N 端疏水端、诱导形成β 折叠的中间肽序列和一个亲水的C 端肽序列［50］。由于PA 在结构上与天然哺乳动物细胞外基质中的丝状结构相似，因此被广泛用于仿生人工基质的构建。氢键和疏水作用是影响PA 自组装能力的关键［51］。de Groot 等［52］发现异亮氨酸-苯丙氨酸（Ile-Phe）二肽在疏水作用力驱动下能够自组装形成纤维网络状纳米结构，最终在水溶液中能够形成水凝胶。但当将异亮氨酸（Ile）换成少一个甲基（疏水基团）的缬氨酸（Val）时，二肽缬氨酸-苯丙氨酸（Val-Phe），不能自组装形成凝胶，表明疏水作用对自组装能力的决定性作用。为了研究氢键对两亲性多肽自组形貌的影响，Sahoo 等［53］制备了含有不同分子间氢键键合倾向的三肽：FGD、FAD、FVD、FLD 和FID（图3-A），固定N 端和C 端分别为一个疏水苯丙氨酸残基（F）和亲水天冬氨酸残基（D），为了改变形成β-折叠的倾向，改变中间氨基酸残基分别为甘氨酸（G）、丙氨酸（A）、缬氨酸（V）、亮氨酸（L）或异亮氨酸（L）。结果表明，通过改变这些肽中的一个氨基酸，可以产生具有不同纵横比和几何形状的多种纳米结构，如：球形、斑块、长带状、直纤维和交联纤维（图3）。三肽FID甚至还能够在非常低的浓度下形成有利于细胞生长的水凝胶。此外，PA 水凝胶是生物矿化的理想基质［54］，有利于钙沉积。Sargeant 等［55］设计了含有丝氨酸或磷酸丝氨酸残基的PA 纳米纤维水凝胶，在细胞培养条件下能够促进成骨分化和矿化。

Figure 3 Construction and characterization of amphiphilic tripeptidesA: Schematic illustration of the amphiphilic tripeptides, designed with an N-terminal phenylalanine residue and a C-terminal aspartic acid residue flanking a variable residue (X). This variable residue was modified to alter R-group volume and hydrogen bonding propensity by including a glycine(G),alanine (A),valine (V),leucine (L),or isoleucine (I)residue at this position;B:(Top row)Representative images of 20 mmol/L tripeptide solutions in water demonstrating those that form sol (FGD and FAD) and others that form hydrogels (FVD, FLD, and FID). (Second and third row) Representative TEM images for each tripeptide sequence,acquired from films cast from the 20 mmol/L solutions and negatively stained with uranyl acetate[53]

3 自组装多肽凝胶在骨修复方面应用

自组装多肽水凝胶能够仿生模拟细胞外基质，有助于细胞的黏附、迁移，具有低免疫原性、易于负载多种细胞及生物活性物质等优势，一直以来，被广泛用于递送干细胞、成骨细胞、软骨细胞、内皮细胞以及多种成骨蛋白或因子等，此外，水凝胶还可以通过掺入不同的纳米填料，增强水凝胶的机械性能，在体内外表现出良好的成骨性能。

3.1 自组装多肽水凝胶负载细胞

将功能性细胞如干细胞直接递送至在骨伤处能够通过成骨分化以及分泌相关生长因子促进骨再生。自组装多肽水凝胶因其良好的生物相容性以及能够为细胞黏附、迁移和培养提供良好条件已成为多种干细胞递送和培养的重要基质［56］。BD PuraMatrix 肽水凝胶是一种源于自组装肽RADA16 凝胶3D 细胞培养模型，已广泛应用于骨组织再生。Moradi 等［57］利用PuraMatrix 凝胶装载培养Schwann 细胞（SCs）然后移植到大鼠脊髓损伤模型中。体内研究结果表明，不仅植入的SCs能够在自组装多肽水凝胶中增殖和迁移，还发现宿主SCs 大量迁移到凝胶中，表现出优异的骨髓损伤修复作用。He 等［58］还报道了功能化的D-RADA16-RGD 多肽水凝胶在促进髁突缺损的骨修复方面具有重要的潜力。Kisiday 等［59］设计了一种封装BMSCs 的可注射自组装多肽水凝胶，表现出优异的软骨再生能力。Lv 等［60］设计了一种含有连接蛋白N肽（LPP）的新型功能化自组装肽水凝胶（KLD-12/KLD-12-LPP，KLPP），KLPP 水凝胶能够在体外3D培养系统中诱导和增强软骨细胞和骨髓间充质干细胞的迁移。将KLPP 水凝胶注射体内后，能够为软骨细胞和骨髓间充质干细胞迁移提供支撑，促进透明样软骨修复。此外，Vitale 等［61］设计了能够装载破骨细胞的自组装多肽凝胶体系，将羟基磷灰石（Hap）纳米粒子填充入基于Fmoc 自组装的RGD 功能化多肽水凝胶能够模拟破骨细胞-骨骼界面微环境。与其他破骨细胞培养水凝胶（如结冷胶［62］、藻酸盐［63］或胶原水凝胶［64］）不同的是，所设计的多肽水凝胶在没有RANKL［65］等诱导因子加入的情况下就能够促使Raw 264.7 巨噬细胞分化为成熟的破骨细胞。该多肽水凝胶还被可以负载破骨细胞分化抑制剂，用于构建出骨再生/吸收研究的新型体外模型［66］。

3.2 自组装多肽水凝胶负载成骨活性剂

为了促进骨组织再生，多种成骨活性剂，包括骨形成蛋白（BMPs）［67］、成骨活性因子［68］或活性肽［69］被引入骨填充材料中，水凝胶不仅能够很好地维持蛋白、因子的活性，还能够控制成骨活性剂在局部的缓慢释放，被广泛用于骨再生活性剂的递送。例如，Zhang 等［70］构建了能够同时负载血管内皮生长因子VEGF 和骨形成蛋白BMP-2 的自组装多肽水凝胶RATEA16。结果表明，该凝胶递释系统能够有效地传递生长因子，保证释放的VEGF/BMP-2 浓度维持在活性范围内，能够促进人脐静脉内皮细胞的血管生成以及人顶乳头干细胞的成骨能力。Zhao 等［71］将碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）装载于自组装多肽D-RADA16-羟基磷灰石水凝胶中，能够维持bFGF 在骨缺损部位持续、稳定释放，加速骨愈合。Panek 等［72］还设计了地塞米松-RADA16 水凝胶递释系统。该研究的创新性在于水凝胶支架中使用FDA 批准的药物地塞米松来诱导人骨髓间充质干细胞的成骨分化，而不是成本高昂的骨形成蛋白等生物活性剂。Zanotto 等［31］设计自组装KLD 水凝胶负载血小板衍生生长因子-BB 和肝素结合胰岛素样生长因子-1 来促进软骨损伤修复。为了增强自组装多肽水凝胶的成骨活性，Onak 等［69］将成骨活性肽EEGGC 和EEEEE活性肽通过化学偶联方式连接在自组装多肽KLD上。结果显示，所设计的自组装生物活性肽凝胶能够增强碱性磷酸酶（ALP）活性、增加钙沉积和促进人骨髓间充质干细胞增殖，上调ALP、Ⅰ型胶原蛋白（COL-1）、骨桥蛋白（OP）和骨钙素（OCN）关键成骨标志物的表达水平。Zuo 等［33］设计了自组装多肽水凝胶NapFFY，通过共组装负载成骨生长肽（OGP）制备超分子水凝胶NapFFY-OGP。水凝胶的纤维网状结构，可以控制OGP 连续缓慢释放。在大鼠颅骨缺损中，使得骨再生率达到37.45%，有效促进颅骨缺损的再生和重建（图4）。

4 总结与展望

Figure 4 Schematic illustration of the construction of NapFFY-OGP hydrogel and its application in promoting bone regeneration [33]

近年来，自组装多肽作为新兴生物材料，其良好的生物相容性、可注射性、低免疫原性以及灵活负载细胞、蛋白、小分子药物的能力使之在骨再生领域大放异彩。然而，骨再生是一个复杂的过程，受到多种因素的影响，基于凝胶灵活多样的负载性能和仿生性能，可探索利用多肽水凝胶同时负载多种干细胞及活性因子，发挥多策略协同增效的作用。此外，通过对自组装多肽进行功能化修饰，结合3D 打印等技术进一步模拟骨组织再生微环境，除了负载干细胞及活性因子，还可以尝试在凝胶中进行骨组织的类器官培养再植入体内，以提高大段骨缺损的再生能力。本课题组在多肽长效凝胶递释系统研究中发现，在多肽凝胶中引入MMPs 的降解序列，可调控多肽凝胶在体内的降解速率。同时，天然存在的L型氨基酸具有快速水解的特点，非天然D-氨基酸残基组成的D 型多肽具有抗蛋白水解性，使得D型多肽具有比L型多肽具有更高的稳定性。此外，多肽组装序列的交联度决定了凝胶的硬度和孔隙大小，对凝胶降解及其负载药物的释放速率都产生影响。为了调控凝胶的降解速率，本课题组研究了氨基酸构型和交联度这两大影响凝胶降解的因素，调控凝胶的降解动力学，能够满足长期降解释放药物的治疗需求。总之，在未来的发展中，自组装多肽骨修复水凝胶的开发应集中于：构建多策略联用的仿生凝胶、提高水凝胶力学强度和控制凝胶降解速率。随着骨组织工程的不断进步以及多技术的交叉融合，自组装多肽水凝胶有望为骨缺损提供更多的临床治疗方案。