פרוטוקול זה מציג שלוש שיטות הכנה מהירות ופשוטות המשתמשות בתנאי הסביבה כדי להפעיל הרכבה עצמית של פפטידים להידרוג'לים. בנוסף, מתואר אפיון של הידרוג'לים פפטידיים, המדגים כי הידרוג'לים פפטידים יציבים מכנית יכולים להיווצר בתנאים פשוטים אלה.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מציג שלוש שיטות הכנה מהירות ופשוטות המשתמשות בתנאי הסביבה כדי להפעיל הרכבה עצמית של פפטידים להידרוג'לים. בנוסף, מתואר אפיון של הידרוג'לים פפטידיים, המדגים כי הידרוג'לים פפטידים יציבים מכנית יכולים להיווצר בתנאים פשוטים אלה.
פפטיד הידרוג'ל הם ג'ל רשת תלת מימדי הידרופילי מאוד שנוצר על ידי הרכבה עצמית של ננו-סיבים או פולימרים, ויוצר רשתות נעילת מים. המורפולוגיה שלהם דומה מאוד לזו של המטריצה החוץ תאית, ומאפשרת להם להציג הן את הפונקציות הביולוגיות של הפפטידים והן את תכונות הג'לציה המגיבה. מאפיינים ייחודיים אלה הובילו ליישומם הנרחב בהנדסת רקמות, תרביות תאים תלת מימדיות, טיפול בסרטן, רפואה רגנרטיבית ותחומים ביו-רפואיים אחרים. מאמר זה מתאר שלוש שיטות להכנת הידרוג'ל פפטידי ECF-5 באמצעות פפטידים בהרכבה עצמית עם תהליכי ג'לציה המגיבים לסביבה: (1) ג'לציה המגיבה ל- pH: רמות pH משתנות גורמות לפרוטונציה או דה-פרוטונציה של שאריות חומצות אמינו, משנות אינטראקציות אלקטרוסטטיות בין מולקולות פפטידים ומעודדות את הרכבתן העצמית להידרוג'לים; (2) תוספת יוני מתכת: כלאט יוני מתכת רב-ערכי עם שאריות חומצות אמינו טעונות שלילית, הפועלים כגשרים בין פפטידים ליצירת הידרוג'ל רשת; (3) חילופי ממסים: פפטידים הידרופוביים מומסים בתחילה בממסים אורגניים שאינם קוטביים ולאחר מכן גורמים להרכבה עצמית להידרוג'לים עם המעבר לסביבה מימית קוטבית. שיטות אלה משתמשות בהליכים ניסיוניים קונבנציונליים כדי להקל על הרכבה עצמית של פפטידים להידרוג'לים. על ידי תכנון רצפי פפטידים כך שיתאימו לתנאים ספציפיים הגורמים לג'לציה, ניתן להשיג מיקרו/ננו-מבנים מכווננים היטב ופונקציות ביולוגיות, תוך הדגשת הפוטנציאל המשמעותי של הידרוג'לים פפטידים בתחום הביו-רפואי.
באמצעות תכנון רצפי פפטידים, אינטראקציות לא קוולנטיות, בין פפטידים, גורמות להרכבה עצמית, מה שמוביל להיווצרות מבנים מסודרים של מיקרו וננומטר, כולל ננו-צינורות, ננו-סרטים, ננו-סיבים ומבנים כדוריים1. כאשר מבנים אלה מורכבים באופן עצמאי לסיבים/סרטים מיקרו-וננומטריים, הם מפגינים תכונות הידרוג'ל באופן מקרוסקופי. הידרוג'לים פפטידיים להרכבה עצמית שונים מהידרוג'לים פולימריים בכך שהם מרכיבים את עצמם באמצעות אינטראקציות לא קוולנטיות, צורת הג'ל שלהם הפיכה, והם מגיבים בקלות לתנאים ספציפיים למעבר בין תמיסה לשלבג'ל 2. לדוגמה, פפטידים של חומצות אמינו ארומטיות יכולים להיות מושרים לג'לטין על בסיס מיתוג ממס 3,4,5, פפטידים RADA16 יוצרים ג'לים באמצעות אינטראקציות אלקטרוסטטיות קטיוניות ואניוניות6, ופפטיד E1Y9 מושרה ליצירת הידרוג'לבאמצעות יוני Ca 2+ 7. גוף האדם יכול לעכל חומצות אמינו טבעיות ולהציע תאימות ביולוגית מצוינת, תכונה שהידרוג'ל פולימרי אינו יכול להשיג8. חלבונים הם המולקולות המבצעות פונקציות ביולוגיות, והבדלים ברצפי הפפטידים יוצרים את הפונקציות הביולוגיות הספציפיות שלהם. לכן, הטבעה של רצפי פפטידים ביו-פונקציונליים ספציפיים והענקתם עם תכונות הרכבה עצמית יכולה לתכנן הידרוג'לים פפטידים להרכבה עצמית עם פונקציות ביולוגיות ייחודיות ומורפולוגיה 9,10,11. מאמר זה מציג שלוש שיטות להכנת הידרוג'לים פפטידיים, כאשר תהליך הג'לציה מופעל על ידי היענות סביבתית. הוא גם דן בקצרה בשיטות לאפיון התכונות המכניות והמורפולוגיה של הידרוג'לים פפטידיים.
ה- pH מווסת את המטען של חומצות אמינו, מפעיל את הג'לציה של כמה פפטידים. לדוגמה, חומצות אמינו בעלות מטען חיובי (למשל, ארגינין, ליזין, היסטידין) מווסתות על ידי pH כדי להשיג מצבים חיוביים או ניטרליים. חומצות אמינו טעונות שלילית מווסתות על ידי pH כדי להשיג מצבים שליליים או ניטרליים, מתרחקות מהנקודה האיזואלקטרית שלהן ובכך משנות את ההידרופיליות שלהן בתמיסות מימיות. לכן, שליטה באינטראקציות אלקטרוסטטיות והידרופוביות בין פפטידים מאפשרת הרכבה עצמית מסודרת שלהם. Zhang et al. תכננו פפטיד להרכבה עצמית של pH מגיב לאמפיפיליה, KKFKFEFF מצומד למטוטרקסט, המגיב לסביבות מעט חומציות הן במבחנה והן in vivo, ומאפשר מעבר פאזה מסול לג'ל. זה מוביל לספיגה תאית יעילה ולאנדוציטוזה, ובכך מספק תרופות אנטי סרטניות ומשפר את יעילות הכימותרפיה12. Shen et al.13 תכננו את הפפטיד FF8 (KRRFFRRK), אשר מתפרק בקלות לסיבים ב-pH גבוה מ-9.4. בתנאים ניטרליים, מיקרואורגניזמים מנטרלים את המטענים החיוביים שלהם עקב אינטראקציות אלקטרוסטטיות עם קרומי הפוספוליפידים הטעונים שלילית שלהם, בתיאום עם מולקולות פוספוליפידים להרכבה עצמית, מה שגורם לקרע בקרום ומשפר את ההשפעות החיידקיות13.
הפעלת הרכבה עצמית על-מולקולרית של פפטיד להידרוג'לים באמצעות מתכות קואורדינציה היא שיטה נדירה יחסית14. כאשר יוני מתכת מתקשרים אלקטרוסטטית עם פפטידים, הם יוצרים גשרי מלח המחברים מולקולות פפטידיות, מה שמוביל לאינטראקציות לא קוולנטיות, והרכבה עצמית, מה שמביא לתכונות ג'לציה. לדוגמה, Abul-Haija et al.15 תכננו את הטריפפטיד FFD, שהופך מנוזל להידרוג'ל בתוספת יוני נחושת. Tao et al.16 פיתחו את החומצה הגלוטמית ואת הפפטיד E3F3 העשיר בפנילאלנין, המתפרק בעצמו להידרוג'ל סיבי בנוכחות יוני אבץ, ומשמש להעברת תרופות לערמונית.
היווצרות חילופי ממסים של הידרוג'לים פפטידים היא תנאי ההפעלה הנפוץ ביותר של הרכבה עצמית על-מולקולרית. לאחר שפפטידים הידרופוביים מתמוססים בממסים אורגניים, הקבוצות ההידרופוביות שלהם נחשפות במלואן. כאשר הן מועברות לשלב מימי, הקבוצות ההידרופוביות מתקרבות זו לזו, ומולקולות מים מקלות על היווצרות קשרי מימן פפטידיים, מה שמוביל להרכבה עצמית מהירה והיווצרות קלה של הידרוג'לים. לדוגמה, Zhang et al.17 תכננו פפטיד שיכול להתמוסס ביציבות בריכוזים גבוהים בממיסים אורגניים קוטביים, ולאחר דילול עם מים, להרכיב את עצמו למבנים של β יריעות כדי ליצור הידרוג'לים מסיבי פפטידים. Shen et al.13 תכננו פפטיד רדוקטיבי ECF-5 (ECAFF), המומס מראש בדימתיל סולפוקסיד (DMSO) ולאחר מכן מוזרק לשלב מימי כדי ליצור הידרוג'ל רדוקטיבי, המשמש לסילוק ממוקד של מיני חמצן תגובתי המיוצרים על ידי איסכמיה-רפרפוזיה, אשר לאחר מכן התפרקה לתמיסה לאחר נבלות.
מחקר זה בחר שלוש אסטרטגיות פשוטות, מהירות וניתנות להכללה גבוהה להכנת פפטיד הידרוג'ל בהתבסס על ניסיון קודם: (1) שיטת תגובת pH: פפטידים מומסים בתמיסה עם pH רחוק מהנקודה האיזואלקטרית שלהם, ואז ה- pH מותאם קרוב לנקודה האיזואלקטרית. שינוי זה מאפשר לפפטידים מסוימים בהרכבה עצמית ליצור סיבים וליצור הידרוג'לים פפטידיים; (2) שיטת הוספת יוני מתכת: קטיונים קואורדינטיביים מתווספים לפפטידים מסיסים במים בעלי מטען שלילי להרכבה עצמית. קלציית תיאום המתכות בין הפפטידים מובילה להרכבתם העצמית להידרוג'לים; (3) שיטת החלפת ממסים: פפטידים בריכוז גבוה מומסים בממסים אורגניים ולאחר מכן מדוללים לשלב מימי, מה שגורם להתנהגות ג'לציה.
פרטי הפלסמידים, הריאגנטים והציוד ששימשו במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.
1. שיטת תגובת pH
2. שיטת הוספת יוני מתכת
3. שיטת החלפת ממסים
4. אפיון ראומכני של הידרוג'ל
5. מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) אפיון מורפולוגיית סיבים
שלוש השיטות המתוארות במאמר זה להכנת הידרוג'לים פפטידים מאפשרות ייצור מהיר, זול ופשוט. תפקידו של ההידרוג'ל קשור לרצף הפפטידי שלו. כאן, פפטיד ECF-5 משמש כדוגמה מייצגת כדי להדגים את המאפיינים הפיזיים שלו, כולל מורפולוגיה מיקרוסקופית ותכונות מכניות.
כפי שניתן לראות באיור 1A ובאיור משלים 1, פפטיד ECF-5 מכיל רצף דמוי גלוטתיון ורצף דיפפטיד פנילאלניל, אשר מעניקים לו את תכונות ההפחתה של גלוטתיון ואת היכולת להרכיב את עצמו. הפפטיד ECF-5 הומס מראש ב-DMSO ולאחר מכן עורבב במהירות עם תמיסה מימית. בשלב זה, הפפטיד עבר הרכבה עצמית מהירה, ויצר ג'ל מוצק בתוך דקות. כאשר ריכוז הפפטיד הסופי עולה על 1%, ניתן להרים את הג'ל עם פינצטה.
הדמיית מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) של משטח הג'ל חשפה רשת של סיבים פפטידים רבים עם נקבוביות צפופות הלוכדות מים. לאחר דילול, המורפולוגיה של סיבים בודדים, כפי שמוצג באיור 1D, מציגה גובה של כ-3.5 ננומטר, מה שיוצר פסי סיבים רחבים עקביים מאוד. זה עולה בקנה אחד עם מורפולוגיית הסיבים שנצפתה ברשת הג'ל. בנוסף, בתנאים ניטרליים, יוני מתכת סידן יכולים גם לגרום לפפטיד ליצור הידרוג'ל, אם כי תהליך זה איטי יחסית ומביא לג'ל רך יותר.
ההתנהגות המקרוסקופית של הידרוג'לים שהוכנו באמצעות שלוש השיטות – תגובת pH, חיבור מתכות וחילופי ממסים – מודגמת באיור 2A. בהשוואה למים שעברו דה-יוניזציה, כל ההידרוג'לים הפגינו תכונות מוצקות למחצה. ריאולוגיה משמשת בדרך כלל כדי להבדיל הידרוג'לים מסולות.
הצמיגות המקרוסקופית של הידרוג'לים ECF-5 המתקבלים באמצעות שלוש שיטות ג'לציה אלה הושוותה באמצעות טכניקות ראולוגיות. כפי שניתן לראות באיור 2, הידרוג'ל ECF-5 הפגין צמיגות האופיינית להידרוג'לים טיפוסיים. במתח של 0.3%, מתואר הקשר בין מודולוס האחסון (G') ומודולוס ההפסד (G'') בתדרים שונים. הידרוג'ל ECF-5 הראה מתאם חלש עם תדירות. מודולוס האחסון (G') של הידרוג'לים שהתקבלו בשלוש השיטות היה בערך 10 kPa, שהוא בערך פי 10 גדול יותר ממודולוס האובדן (G'') והדגים תכונות הידרוג'ל מוצקות למחצה טיפוסיות (איור 2B). זה מצביע על כך ECF-5 hydrogels, ללא קשר לשיטת ההכנה, להציג צמיגות הידרוג'ל טיפוסי.
תרשימים של מודולוס אחסון (G') ומודולוס הפסד (G'') לעומת רמת מאמץ של 10 ראד/שנייה (איור 2C) הראו שגם G' וגם G' נשארו כמעט קבועים בטווח המאמץ של 0.1% עד 10%, כאשר G' היה גבוה בערך פי 10 מ-G'. זה מצביע על כך שההידרוג'לים ECF-5 הם הידרוג'לים ויסקו-אלסטיים טיפוסיים המסוגלים לעמוד בלחץ.

איור 1: הידרוג'לים פפטידים ECF-5. (A) המבנה הכימי של ECF-5. (B) מורפולוגיה מקרוסקופית של הידרוג'ל פפטידי ECF-5 בריכוז של 1%. (C) מיקרו-מבנה של משטח ההידרוג'ל. (D) מורפולוגיה מיקרוסקופית של סיבי פפטיד ECF-5. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: מורפולוגיה מקרוסקופית ואפיון ראולוגי של הידרוג'לים. (A) מורפולוגיה מקרוסקופית של הידרוג'לים בשלושה תנאי הידרוג'ל מושרים שונים, כולם עם ריכוז סופי של פפטיד ECF-5 של 3 מ"ג/מ"ל. תלות בתדירות (B) ומתח (B) של מודולוס האחסון (G') ומודולוס אובדן (G'') של הידרוג'ל ECF-5 בשלושה תנאי אינדוקציה בריכוז של 1%. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 1: ניתוח LC-MS של ECAFF פפטידי. (A) שיא בזמן השמירה של 13.238 דקות הוא שיא המוצר. פולט העמוד נוטר ב-220 ננומטר וקצב זרימה של 1 מ"ל/דקה עם 0.1% חומצה טריפלואורואצטית ב-100% אצטוניטריל. תשואת ECF-5 היא 97.33%. (B) ספקטרומטריית ESI/מסה מאשרת שהמשקל המולקולרי של ECF-5 הוא 616.1. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
בעשורים האחרונים, בעקבות גילוי רצפי פפטידים בהרכבה עצמית שמקורם בחלבוני עמילואיד, תוכננו פפטידים רבים להרכבה עצמית בהתבסס על תכונותיהם, מה שמדגים פוטנציאל משמעותי ליישומים בביו-רפואה ובמדעי החומרים19. פפטיד הידרוג'ל הפגין יכולות ביו-פונקציונליזציה ייחודיות בתרבית רקמות, מתן תרופות וטיפול בגידולים20.
מאמר זה מתאר שיטות הכנה פשוטות ומהירות לשלושה סוגים של הידרוג'לים פפטידיים: תגובת pH, הוספת יוני מתכת וחילופי ממסים. פפטידים בהרכבה עצמית יוצרים אינטראקציות לא קוולנטיות, בהתבסס על מאפייני הרצף שלהם, כאשר אינטראקציות הידרופוביות הן הכוח השולט, ואחריו אינטראקציות אלקטרוסטטיות. אינטראקציות אלה גורמות לתכונות שונות של הרכבה עצמית ומעודדות את המעבר ממצב מסיס למצב בלתי מסיס. לדוגמה, גם לחומצות אמינו וגם לפפטידים יש נקודות איזואלקטריות ספציפיות שבהן המסיסות שלהן היא מינימלית. כאשר ה- pH סוטה באופן משמעותי מהנקודה האיזואלקטרית שלהם, המסיסות שלהם עולה ומאפשרת הרכבה עצמית. לפיכך, התאמת pH התמיסה יכולה לעורר הרכבה עצמית של פפטידים מסוימים13. עם זאת, פפטידים עם נקודות איזואלקטריות קוטביות מאוד עשויים להציג מבנים לא יציבים והם נוטים deamidation או הידרוליזה.
בהיווצרות הידרוג'לים פפטידים המושרים על ידי יוני מתכת, הפפטידים מכילים בדרך כלל חומצות אמינו בעלות מטען שלילי כגון חומצה גלוטמית וחומצה אספרטית. פפטידים אלה יכולים להתחבר באמצעות יוני מתכת כגשרים תחת השפעת יוני מתכת דו-ערכיים, ובכך לגרום להרכבה עצמית. לחלופין, פפטידים עם שאריות היסטידין יכולים ליצור קשרי תיאום עם קטיונים מסוימים של מתכות דו-ערכיות, ולגרום להרכבה עצמית. יוני מתכת מאפשרים הרכבה עצמית של פפטידים על ידי הפחתת הדחייה האלקטרוסטטית בין הפפטידים והגברת המשיכה ההדדית שלהם, מה שמוביל להיווצרות הידרוג'לים פפטידים14. בעוד ששיטה זו מתאימה ליישומים הדורשים יוני מתכת ספציפיים, ייתכן שלא יהיה בה צורך ברוב התנאים הפיזיולוגיים, ולא ניתן להסיר את יוני המתכת בקלות.
חלק מהפפטידים ההידרופוביים מאוד מומסים תחילה בממיסים אורגניים מסיסים במים ולאחר מכן מוסיפים אותם לשלב מימי בלתי מסיס במקור כדי ליצור במהירות הידרוג'לים פפטידיים. עם זאת, לממסים אורגניים רבים יכולות להיות השפעות מזיקות על יישומים ביולוגיים, במיוחד בריכוזים גבוהים יותר. השיטות המתוארות כאן מיושמות באופן ספציפי על פפטידים בהרכבה עצמית. פפטידים מתוכננים על בסיס מנגנוני ההפעלה הנ"ל להשגת תפקודים ביולוגיים רצויים תוך מזעור תופעות לוואי.
למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מס '11674344 ו 22201026) ואת תוכנית המחקר המפתח של מדעי הספר, CAS (מענק מס 'QYZDJ-SSW-SLH019).
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 3-אמינופרופיל)טריאתוקסילאן | אלאדין | A107147 | / |
| מיקרוסקופ כוח אטומי | Bruker | Multimode Nanoscope VIII | / |
| CaCl2 | Aladdin | C290953 | / |
| Diphenylalanine (FF) | סיניפפטיד | להתאמה אישית | טוהר > 95% |
| DMSO | סיגמא-אולדריץ' | 34869 | / |
| פפטידים ECF-5 | רצף פפטידים סיניים | ECAFF | > 95% |
| חומצה הידרוכלורית | אלאדין | H399657 | / |
| נציץ | סיגמא-אולדריץ | ' AFM-71856-02 | / |
| פוספט חוצץ | מלח אלאדין | P492453 | / |
| ריאומטר | אנטון פאר GmbH | MCR302 | / |
| שלוחת סיליקון | MikroMasch | XSC11 | / |
| נתרן כלורי | אלאדין | C111549 | / |
| נתרן הידרוקסיד | אלאדין | S140903 | / |
| TRIS הידרוכלוריד | אלאדין | T431531 | / |