Poprzez projektowanie sekwencji peptydowych, niekowalencyjne interakcje między peptydami wywołują samoorganizację, prowadząc do powstania uporządkowanych struktur mikro- i nanometrowych, w tym nanorurek, nanowstążek, nanowłókien i struktur sferycznych1. Po samodzielnym złożeniu w mikro- i nanometrowe włókna/wstęgi, struktury te makroskopowo wykazują właściwości hydrożelowe. Samoorganizujące się hydrożele peptydowe różnią się od hydrożeli polimerowych tym, że samoorganizują się poprzez oddziaływania niekowalencyjne, ich forma żelowa jest odwracalna i łatwo reagują na określone warunki przejścia między fazą roztworu i żelu2. Na przykład, peptydy aminokwasów aromatycznych mogą być indukowane do żelatynizacji w oparciu o przełączanie rozpuszczalników3,4,5, peptydy RADA16 tworzą żele poprzez kationowe i anionowe oddziaływania elektrostatyczne6, a peptyd E1Y9 jest indukowany do tworzenia hydrożelu za pomocą jonów Ca2+7. Naturalne aminokwasy mogą być metabolizowane przez organizm ludzki i oferują doskonałą biokompatybilność, cechę, której hydrożele polimerowe nie mogą osiągnąć8. Białka to cząsteczki, które pełnią funkcje biologiczne, a różnice w sekwencjach peptydowych tworzą ich specyficzne funkcje biologiczne. Dlatego osadzenie określonych biofunkcjonalnych sekwencji peptydowych i nadanie im właściwości samoorganizujących się może zaprojektować samoorganizujące się hydrożele peptydowe o unikalnych funkcjach biologicznych i morfologiach9,10,11. W artykule przedstawiono trzy metody przygotowania hydrożeli peptydowych, w których proces żelowania jest wywoływany przez reakcję środowiska. Pokrótce omówiono również metody charakterystyki właściwości mechanicznych i morfologii hydrożeli peptydowych.
pH reguluje ładunek aminokwasów, wywołując żelowanie niektórych peptydów. Na przykład dodatnio naładowane aminokwasy (np. arginina, lizyna, histydyna) są regulowane przez pH w celu osiągnięcia stanu dodatniego lub obojętnego. Ujemnie naładowane aminokwasy są regulowane przez pH w celu osiągnięcia stanu ujemnego lub obojętnego, oddalając się od swojego punktu izoelektrycznego, a tym samym zmieniając ich hydrofilowość w roztworach wodnych. Dlatego kontrolowanie oddziaływań elektrostatycznych i hydrofobowych między peptydami ułatwia ich uporządkowany samoorganizowanie. Zhang i in. zaprojektowali amfifilowy, samoorganizujący się peptyd reagujący na pH, sprzężony z metotreksatem KKFKFEFEF, który reaguje na lekko kwaśne środowisko zarówno in vitro, jak i in vivo, umożliwiając przejście fazowe zol do żelu. Prowadzi to do wydajnego wychwytu komórkowego i endocytozy, dostarczając w ten sposób leków przeciwnowotworowych i poprawiając skuteczność chemioterapii12. Shen et al.13 zaprojektowali peptyd FF8 (KRRFFRRK), który łatwo sam się organizuje we włókna przy pH wyższym niż 9,4. W neutralnych warunkach mikroorganizmy neutralizują swoje ładunki dodatnie w wyniku oddziaływań elektrostatycznych z ujemnie naładowanymi błonami fosfolipidowymi, koordynując się z cząsteczkami fosfolipidów w celu samoorganizacji, powodując pęknięcie błony i wzmacniając działanie bakteriobójcze13.
Wywoływanie supramolekularnego samomontażu peptydów w hydrożele za pomocą metali koordynacyjnych jest stosunkowo rzadką metodą14. Kiedy jony metali oddziałują elektrostatycznie z peptydami, tworzą mostki solne, które łączą cząsteczki peptydów, prowadząc do oddziaływań niekowalencyjnych i samoorganizacji, co skutkuje właściwościami żelowania. Na przykład Abul-Haija et al.15 zaprojektowali tripeptyd FFD, który przechodzi z cieczy w hydrożel po dodaniu jonów miedzi. Tao i wsp.16 opracowali kwas glutaminowy i peptyd bogaty w fenyloalaninę E3F3, który samoorganizuje się w włókniste hydrożele w obecności jonów i jest używany do dostarczania leków na prostatę.
Powstawanie hydrożeli peptydowych powodujące wymianę rozpuszczalnika jest najczęstszym warunkiem wyzwalania samoorganizacji supramolekularnej. Po rozpuszczeniu peptydów hydrofobowych w rozpuszczalnikach organicznych, ich grupy hydrofobowe są w pełni odsłonięte. Po przeniesieniu do fazy wodnej grupy hydrofobowe zbliżają się do siebie, a cząsteczki wody ułatwiają tworzenie peptydowych wiązań wodorowych, co prowadzi do szybkiej samoorganizacji i łatwego tworzenia hydrożeli. Na przykład Zhang et al.17 zaprojektowali peptyd, który mógł stabilnie rozpuszczać się w wysokich stężeniach w polarnych rozpuszczalnikach organicznych, a po rozcieńczeniu wodą samoorganizować się w struktury β-arkuszowe, tworząc hydrożele z włókien peptydowych. Shen et al.13 zaprojektowali redukcyjny peptyd ECF-5 (ECAFF), wstępnie rozpuszczony w dimetylosulfotlenku (DMSO), a następnie wstrzyknięty do fazy wodnej w celu utworzenia redukcyjnego hydrożelu, używanego do celowego usuwania reaktywnych form tlenu wytwarzanych przez niedokrwienie-reperfuzję, które następnie rozkładały się do roztworu po zmiataniu.
To badanie wybrało trzy proste, szybkie i wysoce uogólnione strategie przygotowania hydrożelu peptydowego na podstawie wcześniejszych doświadczeń: (1) metoda odpowiedzi pH: peptydy są rozpuszczane w roztworze o pH dalekim od ich punktu izoelektrycznego, a następnie pH jest dostosowywane do blisko punktu izoelektrycznego. Ta zmiana pozwala niektórym samoorganizującym się peptydom tworzyć włókna i tworzyć hydrożele peptydowe; (2) Metoda dodawania jonów metali: kationy koordynacyjne dodaje się do rozpuszczalnych w wodzie, ujemnie naładowanych peptydów samoorganizujących się. Chelatacja koordynacyjna metali między peptydami prowadzi do ich samoorganizacji w hydrożele; (3) Metoda wymiany rozpuszczalnika: peptydy o wysokim stężeniu rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych, a następnie rozcieńcza do fazy wodnej, wywołując żelowanie.