Artículo de método

Preparación de hidrogeles de péptidos autoensamblados mecánicamente estables

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DOI:

10.3791/67267

6 de septiembre de 2024

En este artículo

Resumen

Este protocolo presenta tres métodos de preparación rápidos y sencillos que utilizan las condiciones ambientales para desencadenar el autoensamblaje de péptidos en hidrogeles. Además, se describe la caracterización de los hidrogeles peptídicos, demostrando que se pueden formar hidrogeles peptídicos mecánicamente estables en estas sencillas condiciones.

Resumen

Los hidrogeles peptídicos son geles de red tridimensionales altamente hidrófilos formados por el autoensamblaje de nanofibras o polímeros, creando redes de bloqueo de agua. Su morfología se asemeja mucho a la de la matriz extracelular, lo que les permite exhibir tanto las funciones biológicas de los péptidos como las propiedades de gelificación sensibles. Estas características únicas han llevado a su amplia aplicación en ingeniería de tejidos, cultivo celular tridimensional, terapia contra el cáncer, medicina regenerativa y otros campos biomédicos. Este artículo describe tres métodos para preparar hidrogeles peptídicos ECF-5 utilizando péptidos autoensamblables con procesos de gelificación sensibles al medio ambiente: (1) gelificación sensible al pH: los niveles variables de pH inducen la protonación o desprotonación de residuos de aminoácidos, alterando las interacciones electrostáticas entre las moléculas peptídicas y promoviendo su autoensamblaje en hidrogeles; (2) Adición de iones metálicos: los iones metálicos polivalentes quelan con residuos de aminoácidos cargados negativamente, que actúan como puentes entre péptidos para formar un hidrogel de red; (3) Intercambio de solventes: los péptidos hidrofóbicos se disuelven inicialmente en solventes orgánicos no polares y posteriormente inducen el autoensamblaje en hidrogeles al pasar a un entorno acuoso polar. Estos métodos utilizan procedimientos experimentales convencionales para facilitar el autoensamblaje de péptidos en hidrogeles. Mediante el diseño de secuencias peptídicas para alinearlas con condiciones específicas inductoras de gelificación, es posible lograr micro/nanoestructuras y funciones biológicas finamente ajustadas, lo que destaca el importante potencial de los hidrogeles peptídicos en el dominio biomédico.

Introducción

A través del diseño de secuencias peptídicas, las interacciones no covalentes entre péptidos inducen el autoensamblaje, lo que conduce a la formación de estructuras micro y nanométricas ordenadas, incluidos nanotubos, nanocintas, nanofibras y estructuras esféricas1. Cuando se autoensamblan en fibras/cintas micro y nanométricas, estas estructuras exhiben macroscópicamente propiedades de hidrogel. Los hidrogeles autoensamblables de péptidos difieren de los hidrogeles poliméricos en que se autoensamblan a través de interacciones no covalentes, su forma de gel es reversible y responden fácilmente a condiciones específicas para la transición entre las fases de solución y gel2. Por ejemplo, los péptidos de aminoácidos aromáticos se pueden inducir a gelatinizar en función del cambio de solventes 3,4,5, los péptidos RADA16 forman geles a través de interacciones electrostáticas catiónicas y aniónicas6, y el péptido E1Y9 se induce a formar un hidrogel a través de los iones Ca2+ 7. Los aminoácidos naturales pueden ser metabolizados por el cuerpo humano y ofrecen una excelente biocompatibilidad, una característica que los hidrogeles poliméricos no pueden lograr8. Las proteínas son las moléculas que ejecutan funciones biológicas, y las diferencias en las secuencias de péptidos crean sus funciones biológicas específicas. Por lo tanto, la incorporación de secuencias peptídicas biofuncionales específicas y su dotación de propiedades de autoensamblaje puede diseñar hidrogeles autoensamblables de péptidos con funciones biológicas y morfologías únicas 9,10,11. Este artículo presenta tres métodos para preparar hidrogeles peptídicos, donde el proceso de gelificación se desencadena por la capacidad de respuesta ambiental. También se discuten brevemente los métodos para caracterizar las propiedades mecánicas y la morfología de los hidrogeles peptídicos.

El pH regula la carga de aminoácidos, desencadenando la gelificación de algunos péptidos. Por ejemplo, los aminoácidos cargados positivamente (por ejemplo, arginina, lisina, histidina) son regulados por el pH para alcanzar estados positivos o neutros. Los aminoácidos cargados negativamente son regulados por el pH para alcanzar estados negativos o neutros, alejándose de su punto isoeléctrico y alterando así su hidrofilicidad en soluciones acuosas. Por lo tanto, el control de las interacciones electrostáticas e hidrofóbicas entre los péptidos facilita su autoensamblaje ordenado. Zhang et al. diseñaron un péptido autoensamblable anfifílico sensible al pH, KKFKFEFEF acoplado a metotrexato, que responde a entornos ligeramente ácidos tanto in vitro como in vivo, lo que permite una transición de fase de sol a gel. Esto conduce a una absorción celular eficiente y endocitosis, lo que proporciona medicamentos contra el cáncer y mejora la efectividad de la quimioterapia12. Shen et al.13 diseñaron el péptido FF8 (KRRFFRRK), que se autoensambla fácilmente en fibras a un pH superior a 9,4. En condiciones neutras, los microorganismos neutralizan sus cargas positivas debido a las interacciones electrostáticas con sus membranas de fosfolípidos cargadas negativamente, coordinándose con las moléculas de fosfolípidos para autoensamblarse, causando la ruptura de la membrana y potenciando los efectos bactericidas13.

Desencadenar el autoensamblaje supramolecular de péptidos en hidrogeles utilizando metales de coordinación es un método relativamente raro14. Cuando los iones metálicos interactúan electrostáticamente con los péptidos, forman puentes salinos que conectan las moléculas de péptidos, lo que da lugar a interacciones no covalentes y autoensamblaje, lo que da lugar a propiedades de gelificación. Por ejemplo, Abul-Haija et al.15 diseñaron el tripéptido FFD, que pasa de líquido a hidrogel tras la adición de iones de cobre. Tao et al.16 desarrollaron el péptido E3F3, rico en ácido glutámico y fenilalanina, que se autoensambla en hidrogeles fibrosos en presencia de iones de zinc y se utiliza para la administración de fármacos prostáticos.

La formación de hidrogeles peptídicos por intercambio de disolventes es la condición desencadenante de autoensamblaje supramolecular más común. Después de que los péptidos hidrofóbicos se disuelven en solventes orgánicos, sus grupos hidrofóbicos están completamente expuestos. Cuando se transfieren a una fase acuosa, los grupos hidrofóbicos se acercan entre sí y las moléculas de agua facilitan la formación de enlaces de hidrógeno peptídicos, lo que conduce a un rápido autoensamblaje y una fácil formación de hidrogeles. Por ejemplo, Zhang et al.17 diseñaron un péptido que podía disolverse de manera estable a altas concentraciones en solventes orgánicos polares y, al diluirse con agua, autoensamblarse en estructuras de β láminas para formar hidrogeles de fibra peptídica. Shen et al.13 diseñaron un péptido reductor ECF-5 (ECAFF), predisuelto en dimetilsulfóxido (DMSO) y luego inyectado en una fase acuosa para formar un hidrogel reductor, utilizado para la eliminación selectiva de especies reactivas de oxígeno producidas por isquemia-reperfusión, que posteriormente se degradaron en una solución después de la eliminación.

Este estudio seleccionó tres estrategias de preparación de hidrogel de péptidos simples, rápidas y altamente generalizables basadas en experiencias previas: (1) Método de respuesta al pH: los péptidos se disuelven en una solución con un pH lejos de su punto isoeléctrico, y luego el pH se ajusta cerca del punto isoeléctrico. Este cambio permite que ciertos péptidos autoensamblables formen fibras y creen hidrogeles peptídicos; (2) Método de adición de iones metálicos: los cationes de coordinación se agregan a péptidos autoensamblables solubles en agua, cargados negativamente. La quelación de coordinación de metales entre péptidos conduce a su autoensamblaje en hidrogeles; (3) Método de intercambio de solventes: los péptidos de alta concentración se disuelven en solventes orgánicos y luego se diluyen en una fase acuosa, induciendo un comportamiento de gelificación.

Protocolo

Los detalles de los plásmidos, reactivos y equipos utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Método de respuesta al pH

  1. Añadir 5 mg de péptidos ECF-5 a 400 μL de agua desionizada. Sonicar a 40 kHz durante 30 min y mezclar bien.
  2. Añadir 40 μL de hidróxido de sodio (1 M, filtrado a través de un filtro de 0,22 μm) a la solución peptídica. Vórtice y mezcle bien. Continúe la sonicación durante 15 minutos hasta que la solución esté completamente clarificada.
  3. Añadir 60 μL de ácido clorhídrico. Vórtice rápidamente y asegure una mezcla completa. Deje reposar la mezcla a temperatura ambiente durante más de 30 minutos para facilitar la formación de hidrogel.
    NOTA: Reemplace el agua desionizada con la solución tampón deseada si es necesario. Si las partículas sólidas son grandes, pulverizarlas con anticipación. Sonicar para lograr una mezcla homogénea de partículas en el líquido. Si el péptido es intolerante a las condiciones alcalinas, agregue primero la solución de ácido clorhídrico 1 M y repita los pasos anteriores. Ajuste las cantidades de ácido y base según sea necesario para alcanzar cerca del punto isoeléctrico o el pH deseado, asegurando que se conserven las propiedades formadoras de gel.

2. Método de adición de iones metálicos

  1. Preparación del material
    1. Prepare 0,15 M de Tris y 0,1 M de tampón de NaCl a pH 7,4. Filtrar a través de un filtro de 0,22 μm y almacenar a 4 °C durante un máximo de una semana.
    2. Prepare una solución peptídica autoensamblable ECF-5 a una concentración de 10 mg/ml utilizando el tampón preparado en el paso 1.1.1. Disolver por sonicación y almacenar a 4 °C.
    3. Prepare una solución de cloruro de calcio de 50 mg/mL con agua desionizada. Conservar a 4 °C.
  2. La adición de iones metálicos indujo la formación de hidrogel peptídico
    1. Añadir 40 μL de solución de cloruro de calcio a 460 μL de la solución peptídica ECF-5. Vórtice y mezcle bien. Deje reposar la mezcla a temperatura ambiente durante más de 2 h.
      NOTA: Evite el uso de tampón de fosfato, ya que puede provocar la precipitación de iones de calcio.

3. Método de intercambio de disolventes

  1. Preparación de materiales
    1. Pesar 10 mg de polvo liofilizado con péptido ECF-5. Añádelo a 100 μL de DMSO. Mezclar bien mediante ultrasonidos y almacenar a 4 °C.
    2. Prepare 10 mM de solución tampón de PBS. Filtrar y esterilizar. Conservar a 4 °C y utilizar durante 1 semana.
  2. Formación de hidrogel peptídico inducida por disolventes
    1. Introducir rápidamente 1 mL de PBS en el péptido solubilizado con DMSO. Vórtice y mezcle bien. Déjalo reposar a temperatura ambiente durante 5 min.
    2. Añadir 500 μL de PBS, dejar reposar durante 15 min, desechar el sobrenadante y conservar el gel de fondo. Repita este proceso tres veces para eliminar el DMSO.
      NOTA: Si el DMSO afecta a los experimentos posteriores, considere disolver el péptido en una concentración más alta de DMSO para minimizar su impacto.

4. Caracterización reomecánica del hidrogel

  1. Análisis reológico
    1. Vierta el hidrogel en una placa paralela de aluminio de 25 mm. Realizar análisis reológicos de barrido de tiempo dinámico de los hidrogeles peptídicos utilizando un reómetro18.
  2. Análisis de frecuencia y barrido de deformación
    1. Realice análisis de frecuencia y barrido de deformación18 de forma sistemática utilizando una deformación controlada del 0,3% y una frecuencia de 10 rad/s. Asegúrese de que el control de temperatura esté ajustado a 25 °C.

5. Caracterización de la morfología de las fibras por microscopía de fuerza atómica (AFM)

  1. Preparación de materiales
    1. Prepare una solución de etanol al 95% y agregue 5% de APTES. Conservar a -20 °C y utilizar durante 1 mes.
    2. Aplique adhesivo de doble cara para eliminar una capa de mica. Adhiera las superficies de mica con la solución APTES y déjela reposar durante 5 min. Enjuague bien con agua pura antes de usar.
    3. Diluir y mezclar bien el hidrogel. Déjalo caer sobre la superficie de mica modificada y deja la adsorción estática durante 5 min. Enjuague la superficie con agua pura y séquela antes de usar.
  2. Método de detección
    1. Utilice un AFM multimodo equipado con un escáner para examinar las morfologías de las fibras peptídicas o los hidrogeles. Utilice voladizos de silicio con una constante de resorte nominal de 48 N/m.
    2. Inicialice el instrumento para colocar la aguja. Seleccione el modo de toque para escanear la muestra y adquirir imágenes.

Resultados

Los tres métodos descritos en este artículo para preparar hidrogeles peptídicos permiten una producción rápida, asequible y sencilla. La función del hidrogel está relacionada con su secuencia peptídica. Aquí, el péptido ECF-5 se utiliza como ejemplo representativo para demostrar sus características físicas, incluida la morfología microscópica y las propiedades mecánicas.

Como se muestra en la Figura 1A y en la Figura 1 suplementaria, el péptido ECF-5 contiene una secuencia similar al glutatión y una secuencia de dipéptido de fenilalanilo, que lo dotan de las propiedades reductoras del glutatión y la capacidad de autoensamblarse. El péptido ECF-5 se disolvió previamente en DMSO y luego se mezcló rápidamente con una solución acuosa. En esta etapa, el péptido se sometió a un rápido autoensamblaje, formando un gel sólido en cuestión de minutos. Cuando la concentración final del péptido supera el 1%, el gel se puede recoger con pinzas.

Las imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM) de la superficie del gel revelaron una red de numerosas fibras de péptidos con poros densos que atrapan el agua. Tras la dilución, la morfología de las fibras individuales, como se muestra en la Figura 1D, muestra una altura de aproximadamente 3,5 nm, formando bandas de fibras más anchas altamente consistentes. Esto es consistente con la morfología de la fibra observada en la red de gel. Además, en condiciones neutras, los iones metálicos de calcio también pueden inducir al péptido a formar un hidrogel, aunque este proceso es relativamente más lento y da como resultado un gel más suave.

El comportamiento macroscópico de los hidrogeles preparados utilizando los tres métodos: respuesta de pH, adición de metal e intercambio de solventes, se ilustra en la Figura 2A. En comparación con el agua desionizada, todos los hidrogeles exhibieron propiedades semisólidas. La reología se usa comúnmente para diferenciar los hidrogeles de los soles.

La viscoelasticidad macroscópica de los hidrogeles ECF-5 obtenidos a través de estos tres métodos de gelificación se comparó mediante técnicas reológicas. Como se muestra en la Figura 2, el hidrogel ECF-5 exhibió la viscoelasticidad característica de los hidrogeles típicos. A una deformación del 0,3%, se representa la relación entre el módulo de almacenamiento (G') y el módulo de pérdida (G'') a diferentes frecuencias. El hidrogel ECF-5 mostró una correlación débil con la frecuencia. El módulo de almacenamiento (G') de los hidrogeles obtenidos por los tres métodos fue de aproximadamente 10 kPa, que es aproximadamente 10 veces mayor que el módulo de pérdida (G'') y demostró propiedades típicas de hidrogeles semisólidos (Figura 2B). Esto indica que los hidrogeles ECF-5, independientemente del método de preparación, exhiben una viscoelasticidad típica del hidrogel.

Los gráficos del módulo de almacenamiento (G') y el módulo de pérdida (G'') frente al nivel de deformación a 10 rad/s (Figura 2C) mostraron que tanto G' como G' permanecieron casi constantes en el rango de deformación de 0,1% a 10%, siendo G' aproximadamente 10 veces mayor que G''. Esto sugiere que los hidrogeles ECF-5 son hidrogeles viscoelásticos típicos capaces de soportar el estrés.

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Figura 1: Hidrogeles peptídicos ECF-5. (A) Estructura química de ECF-5. (B) Morfología macroscópica del hidrogel peptídico ECF-5 a una concentración del 1%. (C) Microestructura de la superficie del hidrogel. (D) Morfología microscópica de las fibras peptídicas ECF-5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2: Morfología macroscópica y caracterización reológica de hidrogeles. (A) Morfología macroscópica de hidrogeles bajo tres condiciones diferentes de hidrogel inducido, todos con una concentración final de péptido ECF-5 de 3 mg/mL. Dependencia de la frecuencia (B) y la deformación (B) del módulo de almacenamiento (G') y del módulo de pérdida (G'') del hidrogel ECF-5 en tres condiciones de inducción a una concentración del 1%. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura complementaria 1: Análisis LC-MS del péptido ECAFF. (A) El pico en el tiempo de retención de 13.238 min es el pico del producto. El eluido de la columna se monitorizó a 220 nm y un caudal de 1 mL/min con ácido trifluoroacético al 0,1% en acetonitrilo al 100%. El rendimiento de ECF-5 es del 97,33%. (B) ESI/espectrometría de masas confirma que el peso molecular de ECF-5 es 616.1. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discusión

En las últimas décadas, tras el descubrimiento de secuencias peptídicas autoensamblables derivadas de proteínas amiloides, se han diseñado numerosos péptidos autoensamblables basados en sus propiedades, demostrando un potencial significativo para aplicaciones en biomedicina y ciencia de materiales19. Los hidrogeles peptídicos han demostrado capacidades únicas de biofuncionalización en el cultivo de tejidos, la administración de fármacos y el tratamiento de tumores20.

Este artículo describe métodos de preparación simples y rápidos para tres tipos de hidrogeles peptídicos: respuesta al pH, adición de iones metálicos e intercambio de solventes. Los péptidos autoensamblables generan diferentes interacciones no covalentes en función de sus características de secuencia, siendo las interacciones hidrofóbicas la fuerza predominante, seguidas de las interacciones electrostáticas. Estas interacciones dan como resultado diferentes propiedades de autoensamblaje y promueven la transición de un estado soluble a uno insoluble. Por ejemplo, tanto los aminoácidos como los péptidos tienen puntos isoeléctricos específicos en los que su solubilidad es mínima. Cuando el pH se desvía significativamente de su punto isoeléctrico, su solubilidad aumenta, lo que permite el autoensamblaje. Por lo tanto, el ajuste del pH de la solución puede desencadenar el autoensamblaje de ciertos péptidos13. Sin embargo, los péptidos con puntos isoeléctricos altamente polares pueden exhibir estructuras inestables y son propensos a la desamidación o hidrólisis.

En la formación de hidrogeles peptídicos inducidos por iones metálicos, los péptidos suelen contener aminoácidos cargados negativamente, como el ácido glutámico y el ácido aspártico. Estos péptidos pueden conectarse utilizando iones metálicos como puentes bajo la influencia de iones metálicos divalentes, desencadenando así el autoensamblaje. Alternativamente, los péptidos con residuos de histidina pueden formar enlaces de coordinación con ciertos cationes metálicos divalentes, induciendo el autoensamblaje. Los iones metálicos facilitan el autoensamblaje de los péptidos al reducir la repulsión electrostática entre los péptidos y mejorar su atracción mutua, lo que conduce a la formación de hidrogeles peptídicos14. Si bien este método es adecuado para aplicaciones que requieren iones metálicos específicos, es posible que no sea necesario en la mayoría de las condiciones fisiológicas y los iones metálicos no se pueden eliminar fácilmente.

Algunos péptidos altamente hidrofóbicos se disuelven primero en disolventes orgánicos solubles en agua y luego se añaden a una fase acuosa originalmente insoluble para formar rápidamente hidrogeles peptídicos. Sin embargo, muchos disolventes orgánicos pueden tener efectos perjudiciales en las aplicaciones biológicas, especialmente en concentraciones más altas. Los métodos descritos en este documento se aplican específicamente a péptidos autoensamblados. Los péptidos se diseñan en base a los mecanismos desencadenantes antes mencionados para lograr las funciones biológicas deseadas y minimizar los efectos adversos.

Divulgaciones

Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.

Agradecimientos

Este estudio contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Nos. 11674344 y 22201026) y el Programa de Investigación Clave de Ciencias de Frontera, CAS (Subvención NO. QYZDJ-SSW-SLH019).

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
3-aminopropil)trietoxisilanoAladdinA107147/
Microscopía de fuerza atómicaNanoscopio multimodo Bruker VIII/
CaCl2AladdinC290953/
Difenilalanina (FF)Péptido chinopersonalizablePureza > 95%
DMSOSigma-aldrich34869/
Péptidos ECF-5Secuencia de péptidos chinos: Pureza ECAFF> 95%
Ácido clorhídricoAladdinH399657 /
MicaSigma-aldrichAFM-71856-02/
Solución salina tamponada con fosfatoAladdinP492453/
ReómetroAnton Paar GmbHMCR302/
Voladizos de silicioMikroMaschXSC11/
Cloruro de sodioAladdinC111549/
Hidróxido de sodioAladdinS140903/
Clorhidrato TRISAladdinT431531/

Referencias

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