Door het ontwerp van peptidesequenties induceren niet-covalente interacties tussen peptiden zelfassemblage, wat leidt tot de vorming van geordende micro- en nanometerstructuren, waaronder nanobuisjes, nanolinten, nanovezels en sferische structuren1. Wanneer deze structuren zelf worden geassembleerd tot micro- en nanometervezels/linten, vertonen ze macroscopisch hydrogeleigenschappen. Peptide zelfassemblerende hydrogels verschillen van polymeerhydrogels doordat ze zichzelf assembleren door middel van niet-covalente interacties, hun gelvorm omkeerbaar is en ze gemakkelijk reageren op specifieke omstandigheden om over te gaan tussen oplossings- en gelfasen2. Aromatische aminozuurpeptiden kunnen bijvoorbeeld worden geïnduceerd om te verstijfsen op basis van oplosmiddelomschakeling 3,4,5, RADA16-peptiden vormen gels door kationische en anionische elektrostatische interacties6, en E1Y9-peptide wordt geïnduceerd om een hydrogel te vormen via Ca2+-ionen7. Natuurlijke aminozuren kunnen door het menselijk lichaam worden gemetaboliseerd en bieden een uitstekende biocompatibiliteit, een eigenschap die polymeerhydrogels niet kunnen bereiken8. Eiwitten zijn de moleculen die biologische functies uitvoeren, en verschillen in peptidesequenties creëren hun specifieke biologische functies. Daarom kan het inbedden van specifieke biofunctionele peptidesequenties en het geven van zelfassemblerende eigenschappen peptide zelfassemblerende hydrogels ontwerpen met unieke biologische functies en morfologieën 9,10,11. Dit artikel introduceert drie methoden voor het bereiden van peptidehydrogels, waarbij het geleringsproces wordt geactiveerd door omgevingsresponsiviteit. Het bespreekt ook kort methoden voor het karakteriseren van de mechanische eigenschappen en morfologie van peptidehydrogels.
De pH reguleert de lading van aminozuren, waardoor de gelering van sommige peptiden op gang komt. Positief geladen aminozuren (bijv. arginine, lysine, histidine) worden bijvoorbeeld gereguleerd door pH om positieve of neutrale toestanden te bereiken. Negatief geladen aminozuren worden gereguleerd door de pH om negatieve of neutrale toestanden te bereiken, weg te bewegen van hun iso-elektrische punt en daardoor hun hydrofiliciteit in waterige oplossingen te veranderen. Daarom vergemakkelijkt het beheersen van elektrostatische en hydrofobe interacties tussen peptiden hun geordende zelfassemblage. Zhang et al. ontwierpen een amfifiel pH-responsief zelfassemblerend peptide, methotrexaat-gekoppeld KKFKFEFEF, dat zowel in vitro als in vivo reageert op licht zure omgevingen, waardoor een sol-naar-gel faseovergang mogelijk is. Dit leidt tot efficiënte cellulaire opname en endocytose, waardoor geneesmiddelen tegen kanker worden afgeleverd en de effectiviteit van chemotherapie wordtverbeterd12. Shen et al.13 ontwierpen het FF8 (KRRFFRRK) peptide, dat zichzelf gemakkelijk assembleert tot vezels bij een pH hoger dan 9,4. Onder neutrale omstandigheden neutraliseren micro-organismen hun positieve ladingen als gevolg van elektrostatische interacties met hun negatief geladen fosfolipidemembranen, waarbij ze worden gecoördineerd met fosfolipidemoleculen om zichzelf te assembleren, waardoor membraanbreuk ontstaat en bacteriedodende effecten worden versterkt13.
Het activeren van supramoleculaire zelfassemblage van peptiden tot hydrogels met behulp van coördinatiemetalen is een relatief zeldzame methode14. Wanneer metaalionen elektrostatisch interageren met peptiden, vormen ze zoutbruggen die peptidemoleculen verbinden, wat leidt tot niet-covalente interacties en zelfassemblage, wat resulteert in geleringseigenschappen. Abul-Haija et al.15 ontwierpen bijvoorbeeld het tripeptide FFD, dat overgaat van een vloeistof naar een hydrogel na toevoeging van koperionen. Tao et al.16 ontwikkelden het glutaminezuur en fenylalanine-rijke peptide E3F3, dat zichzelf assembleert tot vezelachtige hydrogels in aanwezigheid van zinkionen, en wordt gebruikt voor de afgifte van prostaatgeneesmiddelen.
De vorming van peptidehydrogels door de uitwisseling van oplosmiddelen is de meest voorkomende aandoening die zichzelf op gang brengt. Nadat hydrofobe peptiden zijn opgelost in organische oplosmiddelen, worden hun hydrofobe groepen volledig blootgesteld. Wanneer ze worden overgebracht naar een waterige fase, naderen de hydrofobe groepen elkaar en vergemakkelijken watermoleculen de vorming van peptide-waterstofbruggen, wat leidt tot snelle zelfassemblage en gemakkelijke vorming van hydrogels. Zhang et al.17 ontwierpen bijvoorbeeld een peptide dat stabiel kon oplossen bij hoge concentraties in polaire organische oplosmiddelen en, na verdunning met water, zichzelf kon assembleren tot structuren van β vellen om peptidevezelhydrogels te vormen. Shen et al.13 ontwierpen een reductief peptide ECF-5 (ECAFF), vooraf opgelost in dimethylsulfoxide (DMSO) en vervolgens geïnjecteerd in een waterige fase om een reductieve hydrogel te vormen, gebruikt voor de gerichte verwijdering van reactieve zuurstofsoorten geproduceerd door ischemie-reperfusie, die vervolgens na opruiming werden afgebroken tot een oplossing.
Deze studie selecteerde drie eenvoudige, snelle en zeer generaliseerbare peptide-hydrogelbereidingsstrategieën op basis van eerdere ervaringen: (1) pH-responsmethode: peptiden worden opgelost in een oplossing met een pH ver van hun iso-elektrische punt, en vervolgens wordt de pH aangepast tot in de buurt van het iso-elektrische punt. Door deze verandering kunnen bepaalde zelfassemblerende peptiden vezels vormen en peptidehydrogels maken; (2) Additiemethode voor metaalionen: coördinatiekationen worden toegevoegd aan in water oplosbare, negatief geladen zelfassemblerende peptiden. De metaalcoördinatiechelatie tussen peptiden leidt tot hun zelfassemblage tot hydrogels; (3) Oplosmiddeluitwisselingsmethode: peptiden met een hoge concentratie worden opgelost in organische oplosmiddelen en vervolgens verdund tot een waterige fase, waardoor geleringsgedrag wordt geïnduceerd.