Name: 機械的に安定な自己組織化ペプチドハイドロゲルの調製 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-09-06T14:45:00.000+00:00
Duration: 5 min 24 s
Description: 学ぶ、環境応答性自己組織化ペプチドハイドロゲルの調製法と機械的安定性の評価手法。ECF-5ペプチドを用いたpH応答、金属添加、溶媒交換によるゲル化プロセスと生物医学応用への可能性を解説します。

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<meta charset="utf8"></head><body> ペプチドハイドロゲル:ECF-5の環境応答性ゲル化法

<ol><li>Whitesides, G. M., Mathias, J. P., Seto, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+self-assembly+and+nanochemistry%3A+a+chemical+strategy+for+the+synthesis+of+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Molecular self-assembly and nanochemistry: a chemical strategy for the synthesis of nanostructures.</a> Science. 254 (5036), 1312-1319 (1991).</li>
<li>Matson, J. B., Zha, R. H., Stupp, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide+self-assembly+for+crafting+functional+biological+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Opin+Solid+State+Mater+Sci%22%5BJournal%5D)">Peptide self-assembly for crafting functional biological materials.</a> Curr Opin Solid State Mater Sci. 15 (6), 225-235 (2011).</li>
<li>Itzha, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide+self-assembly+as+a+strategy+for+facile+immobilization+of+redox+enzymes+on+carbon+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon+Energy%22%5BJournal%5D)">Peptide self-assembly as a strategy for facile immobilization of redox enzymes on carbon electrodes.</a> Carbon Energy. 5 (11), e411(2023).</li>
<li>Rosa, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Incorporation+of+PEG+diacrylates+%28PEGDA%29+generates+hybrid+Fmoc-FF+hydrogel+matrices%5BTitle%5D)+AND+%22Gels%22%5BJournal%5D)">Incorporation of PEG diacrylates (PEGDA) generates hybrid Fmoc-FF hydrogel matrices.</a> Gels. 8 (12), 831(2022).</li>
<li>Balasco, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembled+materials+based+on+fully+aromatic+peptides%3A+The+impact+of+tryptophan%2C+tyrosine%2C+and+dopa+residues%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Self-assembled materials based on fully aromatic peptides: The impact of tryptophan, tyrosine, and dopa residues.</a> Langmuir. 40 (2), 1470-1486 (2024).</li>
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<li>Tsutsumi, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoblastic+differentiation+on+hydrogels+fabricated+from+Ca2%2B+responsive+self-assembling+peptides+functionalized+with+bioactive+peptides%5BTitle%5D)+AND+%22Bioorg+Med+Chem%22%5BJournal%5D)">Osteoblastic differentiation on hydrogels fabricated from Ca2+ responsive self-assembling peptides functionalized with bioactive peptides.</a> Bioorg Med Chem. 26 (12), 3126-3132 (2018).</li>
<li>Li, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembled+peptide+hydrogels+in+regenerative+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Gels%22%5BJournal%5D)">Self-assembled peptide hydrogels in regenerative medicine.</a> Gels. 9 (8), 653(2023).</li>
<li>Guan, T., Li, J., Chen, C., Liu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembling+peptide-based+hydrogels+for+wound+tissue+repair%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Sci%22%5BJournal%5D)">Self-assembling peptide-based hydrogels for wound tissue repair.</a> Adv Sci. 9 (10), e2104165(2022).</li>
<li>La, M. S., Di, N. C., Onesto, V., Marasco, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembling+peptides%3A+From+design+to+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Mol+Sci%22%5BJournal%5D)">Self-assembling peptides: From design to biomedical applications.</a> Int J Mol Sci. 22 (23), 12662(2021).</li>
<li>Gao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+self-assembled+peptides+as+drug+carriers%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmaceutics%22%5BJournal%5D)">Advances in self-assembled peptides as drug carriers.</a> Pharmaceutics. 15 (2), 482(2023).</li>
<li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+and+pH-responsive+self-assembled+peptide+hydrogel+for+promoted+tumor+cell+uptake+and+enhanced+cancer+chemotherapy%5BTitle%5D)+AND+%22Biomater+Sci%22%5BJournal%5D)">Injectable and pH-responsive self-assembled peptide hydrogel for promoted tumor cell uptake and enhanced cancer chemotherapy.</a> Biomater Sci. 10 (3), 854-862 (2022).</li>
<li>Shen, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomembrane+induced+in+situ+self-assembly+of+peptide+with+enhanced+antimicrobial+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Biomater+Sci%22%5BJournal%5D)">Biomembrane induced in situ self-assembly of peptide with enhanced antimicrobial activity.</a> Biomater Sci. 8 (7), 2031-2039 (2020).</li>
<li>Shao, T., Falcone, N., Kraatz, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Supramolecular+peptide+gels%3A+Influencing+properties+by+metal+ion+coordination+and+their+wide-ranging+applications%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Omega%22%5BJournal%5D)">Supramolecular peptide gels: Influencing properties by metal ion coordination and their wide-ranging applications.</a> ACS Omega. 5 (3), 1312-1317 (2020).</li>
<li>Abul-Haija, Y. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cooperative%2C+ion-sensitive+co-assembly+of+tripeptide+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Commun%22%5BJournal%5D)">Cooperative, ion-sensitive co-assembly of tripeptide hydrogels.</a> Chem Commun. 53 (69), 9562-9565 (2017).</li>
<li>Tao, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zinc-ion-mediated+self-assembly+of+forky+peptides+for+prostate+cancer-specific+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Commun%22%5BJournal%5D)">Zinc-ion-mediated self-assembly of forky peptides for prostate cancer-specific drug delivery.</a> Chem Commun. 54 (37), 4673-4676 (2018).</li>
<li>Apostolopoulos, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Global+review+on+short+peptides%3A+Frontiers+and+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Molecules%22%5BJournal%5D)">A Global review on short peptides: Frontiers and perspectives.</a> Molecules. 26 (2), 430(2021).</li>
<li>Zhang, R. S. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rheological+characterization+and+mechanical+properties+of+self-assembled+peptide+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Rheological characterization and mechanical properties of self-assembled peptide hydrogels.</a> Soft Matter. 15 (11), 2370-2380 (2019).</li>
<li>Li, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide-based+nanomaterials%3A+Self-assembly%2C+properties+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Bioact+Mater%22%5BJournal%5D)">Peptide-based nanomaterials: Self-assembly, properties and applications.</a> Bioact Mater. 11, 268-282 (2021).</li>
<li>Sedighi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multifunctional+self-assembled+peptide+hydrogels+for+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Polymers+%28Basel%29%22%5BJournal%5D)">Multifunctional self-assembled peptide hydrogels for biomedical applications.</a> Polymers (Basel). 15 (5), 1160(2023).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>3-アミノプロピル)トリエトキシシラン</td><td>アラジン</td><td>A107147</td><td>/</td></tr><tr><td>原子間力顕微鏡</td><td>ブルカー</td><td>マルチモードナノスコープVIII</td> <td>/</td></tr> <tr><td>CaCl<サブ>2< / サブ></td><td>アラジン</td><td>C290953</td><td>/</td></tr><tr><td>ジフェニルアラニン(FF)</td><td>中国ペプチド</td><td>カスタマイズ可能な</td><td>純度>95%</td></tr><tr><td>DMSO</td><td>Sigma-aldrich</td><td>34869</td> <td>/</td></tr><tr><td>ECF-5ペプチド中国語</td><td>ペプチド</td><td>配列:ECAFF</td><td>純度>95%</td></tr><tr><td>塩酸</td><td>アラジン</td><td>H399657&nbsp;</td><td>/</td></tr><tr><td>マイカ</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>AFM-71856-02</td> <td>/</td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水</td><td>アラジン</td><td>P492453</td> <td>/</td></tr><tr><td>レオメーター</td><td>アントンパールGmbH</td><td>MCR302</td> <td>/</td></tr><tr><td>シリコンカンチレバーMikroMasch</td><td></td><td>XSC11</td> <td>/</td></tr><tr><td>塩化ナトリウム</td><td>アラジン</td><td>C111549</td> <td>/</td></tr><tr><td>水酸化ナトリウム</td><td>アラジンS140903</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TRIS塩酸塩</td><td>アラジンT431531</td><td></td><td>/</td></tr></tbody></table>

機械的に安定な自己組織化ペプチドハイドロゲルの調製

Preparation of Mechanically Stable Self-Assembled Peptides Hydrogels

この記事で説明したペプチドハイドロゲルの調製方法3つにより、迅速で手頃な価格の簡単な製造が可能になります。ヒドロゲルの機能は、そのペプチド配列に関連しています。ここでは、ECF-5ペプチドを代表例として、微視的な形態や機械的特性などの物理的特性を実証しています。
図1Aおよび補足図1に示すように、ECF-5ペプチドにはグルタチオン様配列とフェニルアラニルジペプチド配列が含まれており、これによりグルタチオンの還元特性と自己組織化能力が付与されます。ECF-5ペプチドをDMSOにあらかじめ溶解し、その後水溶液と迅速に混合しました。この段階で、ペプチドは急速な自己組織化を受け、数分以内に固体ゲルを形成しました。最終的なペプチド濃度が1%を超えると、ピンセットでゲルを拾うことができます。
ゲル表面の原子間力顕微鏡(AFM)イメージングにより、水を閉じ込める密集した細孔を持つ多数のペプチド繊維のネットワークが明らかになりました。希釈すると、 図1Dに示すように、個々の繊維の形態は約3.5nmの高さを示し、非常に一貫性のあるより広い繊維バンドを形成します。これは、ゲルネットワークで観察された繊維形態と一致しています。さらに、中性条件下では、カルシウム金属イオンもペプチドを誘導してヒドロゲルを形成することができますが、このプロセスは比較的遅く、より柔らかいゲルになります。
3つの方法(pH応答、金属添加、溶媒交換)を使用して調製したハイドロゲルの巨視的な挙動を 図2Aに示します。脱イオン水と比較して、すべてのハイドロゲルは半固体特性を示しました。レオロジーは、ハイドロゲルとゾルを区別するために一般的に使用されます。
これら3つのゲル化法で得られたECF-5ハイドロゲルの巨視的粘弾性をレオロジー技術を用いて比較しました。 図2に示すように、ECF-5ハイドロゲルは、一般的なハイドロゲルの粘弾性特性を示しました。0.3%のひずみでは、異なる周波数での貯蔵弾性率(G')と損失弾性率(G'')の関係が示されています。ECF-5ハイドロゲルは、周波数と弱い相関を示しました。3つの方法によって得られたハイドロゲルの貯蔵弾性率(G')は約10 kPaであり、これは損失弾性率(G'')の約10倍であり、典型的な半固体ハイドロゲルの特性を示しました(図2B)。このことは、ECF-5ハイドロゲルが、調製方法にかかわらず、典型的なヒドロゲルの粘弾性を示すことを示しています。
10 rad/s でのひずみレベルに対する貯蔵弾性率 (G') と損失弾性率 (G'') のプロット (図 2C) は、G' と G'' の両方が 0.1% から 10% のひずみ範囲でほぼ一定であり、G' は G'' の約 10 倍であることを示しました。このことは、ECF-5ハイドロゲルが応力に耐えることができる典型的な粘弾性ハイドロゲルであることを示唆しています。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67267/67267fig01.jpg"> 図1:ECF-5ペプチドハイドロゲル(A)ECF-5の化学構造。(B)1%濃度でのECF-5ペプチドハイドロゲルの巨視的形態。(C)ヒドロゲル表面の微細構造。(D)ECF-5ペプチド繊維の顕微鏡的形態。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67267/67267fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67267/67267fig02.jpg"> 図2:ハイドロゲルの巨視的形態とレオロジー特性評価。 (A)3つの異なる誘導ヒドロゲル条件下でのヒドロゲルの巨視的形態、すべてECF-5ペプチドの最終濃度が3 mg / mL。1%濃度の3つの誘導条件下でのECF-5ヒドロゲルの貯蔵弾性率(G')と損失弾性率(G'')の周波数(B)とひずみ(B)依存性。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67267/67267fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足図1:ペプチドECAFFのLC-MS分析。 (A)保持時間13.238分でのピークが製品のピークです。カラム溶出液を 220 nm で、流速 1 mL/分で、100% アセトニトリル中の 0.1% トリフルオロ酢酸でモニターしました。ECF-5の利回りは97.33%です。(B)ESI/質量分析により、ECF-5の分子量は616.1であることが確認されました。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67267/Supplementary%20Figure%201.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

Peptide hydrogels are highly hydrophilic, three-dimensional network gels formed by the self-assembly of nanofibers or polymers, creating water-locking ...

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