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組織工程是傳統(tǒng)移植的一種有前途的替代方法。移植是一種外科手術(shù)，旨在將組織從一個部位轉(zhuǎn)移到另一個部位或從供體轉(zhuǎn)移到患者，用健康的皮膚、骨骼、軟骨、神經(jīng)或血管替換受損的皮膚、骨骼、軟骨、神經(jīng)或血管。相比之下，用于組織工程的生物材料包括支架、細胞和生物活性分子。這種協(xié)同組合是目前組織修復和再生的安全的選擇之一。
構(gòu)成組織工程用生物材料的典型元素包括:
腳手架:復合材料，或天然和合成聚合物
生物活性分子:小分子、蛋白質(zhì)或肽，例如細胞粘附肽和自組裝肽
單元格(可選):間充質(zhì)干細胞
由于慢性疾病發(fā)病率的增加、常規(guī)移植供體的低可用性以及醫(yī)學移植的固有限制，對該領域的興趣一直在穩(wěn)步增長。這些生物材料的目的是促進患者的組織再生，或者使用生物活性分子修飾的無細胞支架，或者將這些修飾的支架與患者自身的MSCs相結(jié)合。
設計模仿天然細胞外基質(zhì)，支架是生物相容的、可生物降解的、多孔的和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠支持細胞生長。用于這些應用的天然聚合物包括膠原蛋白、殼聚糖、彈性蛋白和透明質(zhì)酸(HA)等。用作組織工程生物材料支架的合成聚合物通常包括聚ε-己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)等。
天然和合成聚合物都有特定的優(yōu)點和局限性。例如，天然聚合物以其高生物相容性而聞名，但機械性能差，經(jīng)常導致過早分解。相比之下，合成聚合物往往比它們的天然對應物更穩(wěn)定，但表現(xiàn)出低生物相容性，經(jīng)常導致炎癥，并最終導致生物材料的排斥。增強生物相容性可降低不良反應的風險，通常通過用生物活性分子修飾天然或合成支架的表面來實現(xiàn)。
細胞是這些生物材料的另一個重要組成部分，從脂肪組織或骨髓中分離出來的成人間充質(zhì)干細胞(MSCs)是目前再生醫(yī)學的黃金標準。它們表現(xiàn)出自我再生和分化成不同細胞類型的能力，使它們成為新的健康組織的有用構(gòu)件。
在目前用于組織工程生物材料的大量生物分子中，肽作為聚合物支架的改性劑起著至關(guān)重要的作用。與蛋白質(zhì)修飾的生物材料相比，肽修飾的支架具有相似的特性。但是與蛋白質(zhì)相比，將肽用于組織應用具有幾個顯著的優(yōu)勢:
肽的合成要簡單得多劃算的而不是蛋白質(zhì)表達
肽修飾是坦率的
這些小分子也是更有抵抗力溫度和pH值等環(huán)境條件，而蛋白質(zhì)往往在非生理條件下降解
肽往往有較低的免疫原性與大蛋白質(zhì)相比
由于這個原因，肽已經(jīng)成為用于組織工程應用的生物材料的優(yōu)選生物活性成分。下表提供了一些具有突出生物活性的肽的例子:
| Type of peptides | Origin | AA sequence/name of the bioactive motif |
|---|---|---|
| Cell adhesion peptides | Collagen | RGD |
| DGEA | ||
| GFOGER | ||
| GFPGER | ||
| GTPGPQGIAGQRGVV (PepGen P-15) | ||
| Fibronectin | PHSRN | |
| REDV | ||
| LDV | ||
| KQAGDV | ||
| Laminins | IKVAV | |
| YIGSR | ||
| KAFDITYVRLKF | ||
| Bone morphogenetic protein (BMP)-like peptides | BMP-2 | IVAPPGYHAFYCHGECP (P17) |
| KIPKASSVPTELSAISTLYLSGGC (P24) | ||
| BMP-7 | GQGFSYPYKAVFSTQ (BFP-1) | |
| KQLNAISVLYFDD | ||
| Vascular endothelial growth factor (VEGF)-like peptides | VEGF | KLTWQELYQLKYKGI (QK) |
| Self-assembling peptides (SAPs) | Synthetic | RADARADARADARADA (RAD16) |
| VKVKVKVKVdPLPTKVKVKVKV-NH2 (MAX1) | ||
| VKVKVKVKVdPLPTKVEVKVKV-NH2 |
所有這些種類的肽增強了用于組織再生的生物材料的生物相容性。更具體地，細胞粘附肽改善細胞粘附、增殖和分化。相反，VEGF樣和BMP樣肽分別通過控制血管和骨修復來模擬這些蛋白。
有趣的是，自組裝肽值得擁有自己的一部分。這些肽形成復雜的三維結(jié)構(gòu)，通過非共價鍵(即氫鍵、靜電和疏水相互作用)自發(fā)自組裝。這一過程可以由pH值、溫度或化學分子等外部信號觸發(fā)。
像其他種類的肽一樣，SAPs可以通過固相肽合成容易地產(chǎn)生。此外，復雜納米結(jié)構(gòu)的形成可以在生理條件下進行，這使得該方法廉價且高效。這些結(jié)構(gòu)也被稱為肽水凝膠，它們本身可以模擬細胞外基質(zhì)，并作為組織再生生物材料的支架。
自組裝肽是一類快速進化的全合成肽，但它們由天然的構(gòu)件組成。據(jù)專家稱，肽水凝膠是各種應用中最有前途的元件之一。盡管它們是合成的，但仍保持生物相容性，具有安全的降解性和最小的免疫原性。此外，水凝膠可以很容易地操作，以獲得不同物理性質(zhì)的支架，如孔徑大小，纖維厚度和機械阻力。
基于RAD的肽仍然是組織工程中常用的生物材料之一。這些肽基于RAD序列，一個16個氨基酸的序列，由張和他的同事在麻省理工學院開發(fā)。RAD16凝膠化可在鹽(即使在低濃度下)或低pH值的存在下被誘導。在這種水凝膠狀態(tài)下，細胞能夠附著在RAD16基質(zhì)的表面，使其成為組織修復生物材料的寶貴支架。雖然第一代RAD16肽已經(jīng)商業(yè)化，但它們在生物學上的應用才剛剛開始探索。新一代RAD19生物材料已逐步采用活性和天然生物活性圖案進行修飾，以增強組織再生和生物相容性。
P11肽包含另一類合成的自組裝生物活性分子。這些水凝膠化肽在疏水相互作用下組裝，這可以驅(qū)動它們重排為原纖維和纖維。這一類的一些肽只有在加入化學對應物時才會聚集，使它們能夠適應原地的組裝。
盡管在臨床前和臨床研究中獲得了有希望的結(jié)果，但自組裝肽的合成和純化仍然具有挑戰(zhàn)性。這些問題源于水凝膠序列中存在多個疏水殘基。另一個問題是TFA的潛在污染，特別是當這些肽使用高效液相色譜(HPLC)純化時。已知TFA對細胞增殖有負面影響，需要通過在鹽酸存在下凍干或通過樹脂離子交換將其去除。
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