Attraverso la progettazione di sequenze peptidiche, le interazioni non covalenti tra peptidi inducono l'autoassemblaggio, portando alla formazione di strutture micro e nanometriche ordinate, inclusi nanotubi, nanonastri, nanofibre e strutture sferiche1. Quando sono autoassemblate in fibre/nastri micro e nanometrici, queste strutture mostrano macroscopicamente proprietà di idrogel. Gli idrogel autoassemblanti peptidici differiscono dagli idrogel polimerici in quanto si autoassemblano attraverso interazioni non covalenti, la loro forma gel è reversibile e rispondono prontamente a condizioni specifiche per la transizione tra la fase della soluzione e quella del gel2. Ad esempio, i peptidi di amminoacidi aromatici possono essere indotti a gelatinizzare sulla base della commutazione del solvente 3,4,5, i peptidi RADA16 formano gel attraverso interazioni elettrostatiche cationiche e anioniche6 e il peptide E1Y9 è indotto a formare un idrogel tramite ioni Ca2+ 7. Gli amminoacidi naturali possono essere metabolizzati dal corpo umano e offrono un'eccellente biocompatibilità, una caratteristica che gli idrogel polimerici non possono raggiungere8. Le proteine sono le molecole che svolgono funzioni biologiche e le differenze nelle sequenze peptidiche creano le loro specifiche funzioni biologiche. Pertanto, l'inclusione di specifiche sequenze peptidiche biofunzionali e il loro conferimento di proprietà autoassemblanti può progettare idrogel autoassemblanti peptidici con funzioni biologiche e morfologie uniche 9,10,11. Questo articolo introduce tre metodi per la preparazione di idrogel peptidici, in cui il processo di gelificazione è innescato dalla reattività ambientale. Discute inoltre brevemente i metodi per caratterizzare le proprietà meccaniche e la morfologia degli idrogel peptidici.
Il pH regola la carica degli amminoacidi, innescando la gelificazione di alcuni peptidi. Ad esempio, gli amminoacidi caricati positivamente (ad esempio, arginina, lisina, istidina) sono regolati dal pH per raggiungere stati positivi o neutri. Gli amminoacidi caricati negativamente sono regolati dal pH per raggiungere stati negativi o neutri, allontanandosi dal loro punto isoelettrico e alterando così la loro idrofilia in soluzioni acquose. Pertanto, il controllo delle interazioni elettrostatiche e idrofobiche tra i peptidi facilita il loro autoassemblaggio ordinato. Zhang et al. hanno progettato un peptide autoassemblante anfifilico che risponde al pH, KKFKFEFEF accoppiato a metotrexato, che risponde ad ambienti leggermente acidi sia in vitro che in vivo, consentendo una transizione di fase da sol a gel. Ciò porta a un efficiente assorbimento cellulare e all'endocitosi, fornendo così farmaci antitumorali e migliorando l'efficacia della chemioterapia12. Shen et al.13 hanno progettato il peptide FF8 (KRRFFRRK), che si autoassembla facilmente in fibre a un pH superiore a 9,4. In condizioni neutre, i microrganismi neutralizzano le loro cariche positive a causa delle interazioni elettrostatiche con le loro membrane fosfolipidiche caricate negativamente, coordinandosi con le molecole di fosfolipidi per autoassemblarsi, causando la rottura della membrana e aumentando gli effetti battericidi13.
L'attivazione dell'autoassemblaggio supramolecolare di peptidi in idrogel utilizzando metalli di coordinazione è un metodo relativamente raro14. Quando gli ioni metallici interagiscono elettrostaticamente con i peptidi, formano ponti salini che collegano le molecole peptidiche, portando a interazioni non covalenti e all'autoassemblaggio, che si traduce in proprietà di gelificazione. Ad esempio, Abul-Haija et al.15 hanno progettato il tripeptide FFD, che passa da un liquido a un idrogel dopo l'aggiunta di ioni rame. Tao et al.16 hanno sviluppato l'acido glutammico e il peptide ricco di fenilalanina E3F3, che si autoassembla in idrogel fibrosi in presenza di ioni zinco e viene utilizzato per la somministrazione di farmaci alla prostata.
La formazione di idrogel peptidici a scambio di solventi è la condizione più comune che innesca l'autoassemblaggio supramolecolare. Dopo che i peptidi idrofobici si sono dissolti in solventi organici, i loro gruppi idrofobici sono completamente esposti. Quando vengono trasferiti in una fase acquosa, i gruppi idrofobici si avvicinano l'uno all'altro e le molecole d'acqua facilitano la formazione di legami idrogeno peptidici, portando a un rapido autoassemblaggio e a una facile formazione di idrogel. Ad esempio, Zhang et al.17 hanno progettato un peptide in grado di dissolversi stabilmente ad alte concentrazioni in solventi organici polari e, dopo diluizione con acqua, autoassemblato in strutture a β fogli per formare idrogel di fibre peptidiche. Shen et al.13 hanno progettato un peptide riduttivo ECF-5 (ECAFF), pre-disciolto in dimetilsolfossido (DMSO) e poi iniettato in una fase acquosa per formare un idrogel riduttivo, utilizzato per la rimozione mirata delle specie reattive dell'ossigeno prodotte dall'ischemia-riperfusione, che successivamente si degradano in una soluzione dopo lo scavenging.
Questo studio ha selezionato tre strategie di preparazione di idrogel peptidico semplici, rapide e altamente generalizzabili basate su esperienze precedenti: (1) Metodo di risposta al pH: i peptidi vengono disciolti in una soluzione con un pH lontano dal loro punto isoelettrico, quindi il pH viene regolato vicino al punto isoelettrico. Questo cambiamento consente ad alcuni peptidi autoassemblanti di formare fibre e creare idrogel peptidici; (2) Metodo di addizione di ioni metallici: i cationi di coordinazione vengono aggiunti a peptidi autoassemblanti solubili in acqua e caricati negativamente. La chelazione di coordinazione metallica tra i peptidi porta al loro autoassemblaggio in idrogel; (3) Metodo di scambio di solventi: i peptidi ad alta concentrazione vengono disciolti in solventi organici e quindi diluiti in una fase acquosa, inducendo un comportamento di gelificazione.