Summary

Herstellung von mechanisch stabilen selbstorganisierten Peptiden, Hydrogelen

Published: September 06, 2024
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Summary

Dieses Protokoll stellt drei schnelle und einfache Präparationsmethoden vor, die Umweltbedingungen nutzen, um die Selbstorganisation von Peptiden zu Hydrogelen auszulösen. Zusätzlich wird die Charakterisierung von Peptidhydrogelen beschrieben, die zeigt, dass unter diesen einfachen Bedingungen mechanisch stabile Peptidhydrogele gebildet werden können.

Abstract

Peptid-Hydrogele sind hochgradig hydrophile, dreidimensionale Netzwerkgele, die durch die Selbstorganisation von Nanofasern oder Polymeren gebildet werden, wodurch wasserschließende Netzwerke entstehen. Ihre Morphologie ähnelt stark der der extrazellulären Matrix, so dass sie sowohl die biologischen Funktionen von Peptiden als auch reaktionsfähige Gelierungseigenschaften aufweisen können. Diese einzigartigen Eigenschaften haben zu ihrer umfangreichen Anwendung im Tissue Engineering, in der dreidimensionalen Zellkultur, in der Krebstherapie, in der regenerativen Medizin und in anderen biomedizinischen Bereichen geführt. In diesem Artikel werden drei Methoden zur Herstellung von ECF-5-Peptid-Hydrogelen unter Verwendung von selbstorganisierenden Peptiden mit umweltverträglichen Gelierungsprozessen beschrieben: (1) pH-responsive Gelierung: Unterschiedliche pH-Werte induzieren die Protonierung oder Deprotonierung von Aminosäureresten, verändern die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Peptidmolekülen und fördern deren Selbstorganisation zu Hydrogelen; (2) Metallionenaddition: polyvalente Metallionen chelatisieren mit negativ geladenen Aminosäureresten, die als Brücken zwischen Peptiden wirken, um ein Netzwerkhydrogel zu bilden; (3) Lösungsmittelaustausch: Hydrophobe Peptide werden zunächst in unpolaren organischen Lösungsmitteln gelöst und induzieren anschließend beim Übergang in eine polare wässrige Umgebung eine Selbstorganisation zu Hydrogelen. Diese Methoden nutzen konventionelle experimentelle Verfahren, um die Selbstorganisation von Peptiden in Hydrogelen zu erleichtern. Durch das Design von Peptidsequenzen, die sich an spezifischen Gelierungs-induzierenden Bedingungen ausrichten, ist es möglich, fein abgestimmte Mikro-/Nanostrukturen und biologische Funktionen zu erzielen, was das bedeutende Potenzial von Peptid-Hydrogelen im biomedizinischen Bereich unterstreicht.

Introduction

Durch das Design von Peptidsequenzen induzieren nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen Peptiden eine Selbstorganisation, die zur Bildung geordneter Mikro- und Nanometerstrukturen führt, einschließlich Nanoröhren, Nanobändern, Nanofasern und kugelförmigen Strukturen1. Wenn sie selbst zu Mikro- und Nanometerfasern/-bändern zusammengefügt werden, weisen diese Strukturen makroskopisch Hydrogel-Eigenschaften auf. Peptid-selbstorganisierende Hydrogele unterscheiden sich von Polymer-Hydrogelen dadurch, dass sie sich durch nicht-kovalente Wechselwirkungen selbst organisieren, ihre Gelform reversibel ist und sie leicht auf bestimmte Bedingungen reagieren, um zwischen Lösungs- und Gelphasezu wechseln 2. Zum Beispiel können aromatische Aminosäurepeptide dazu gebracht werden, auf der Grundlage von Lösungsmittelschaltung 3,4,5 zu verkleisteren, RADA16-Peptide bilden Gele durch kationische und anionische elektrostatische Wechselwirkungen6 und E1Y9-Peptid wird überCa-2+-Ionen7 zur Bildung eines Hydrogels induziert. Natürliche Aminosäuren können vom menschlichen Körper verstoffwechselt werden und bieten eine hervorragende Biokompatibilität, eine Eigenschaft, die Polymer-Hydrogele nicht erreichen können8. Proteine sind die Moleküle, die biologische Funktionen ausführen, und Unterschiede in den Peptidsequenzen erzeugen ihre spezifischen biologischen Funktionen. Daher können durch die Einbettung spezifischer biofunktioneller Peptidsequenzen und deren Ausstattung mit selbstorganisierenden Eigenschaften peptidselbstorganisierende Hydrogele mit einzigartigen biologischen Funktionen und Morphologien entworfen werden 9,10,11. In diesem Artikel werden drei Methoden zur Herstellung von Peptid-Hydrogelen vorgestellt, bei denen der Gelierungsprozess durch die Reaktionsfähigkeit der Umwelt ausgelöst wird. Es werden auch kurz Methoden zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Morphologie von Peptidhydrogelen diskutiert.

Der pH-Wert reguliert die Ladung von Aminosäuren und löst die Gelierung einiger Peptide aus. Zum Beispiel werden positiv geladene Aminosäuren (z. B. Arginin, Lysin, Histidin) durch den pH-Wert reguliert, um positive oder neutrale Zustände zu erreichen. Negativ geladene Aminosäuren werden durch den pH-Wert reguliert, um negative oder neutrale Zustände zu erreichen, sich von ihrem isoelektrischen Punkt zu entfernen und dadurch ihre Hydrophilie in wässrigen Lösungen zu verändern. Daher erleichtert die Kontrolle elektrostatischer und hydrophober Wechselwirkungen zwischen Peptiden deren geordnete Selbstorganisation. Zhang et al. entwarfen ein amphiphiles, pH-responsives, selbstorganisierendes Peptid, das Methotrexat-gekoppelte KKFKFEFEF, das sowohl in vitro als auch in vivo auf leicht saure Umgebungen reagiert und einen Phasenübergang von Sol zu Gel ermöglicht. Dies führt zu einer effizienten zellulären Aufnahme und Endozytose, wodurch Krebsmedikamente verabreicht und die Wirksamkeit der Chemotherapie verbessertwerden 12. Shen et al.13 entwarfen das FF8 (KRRFFRRK)-Peptid, das sich bei einem pH-Wert von mehr als 9,4 leicht selbst zu Fasern zusammensetzt. Unter neutralen Bedingungen neutralisieren Mikroorganismen ihre positiven Ladungen aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen mit ihren negativ geladenen Phospholipidmembranen und koordinieren sich mit den Phospholipidmolekülen, um sich selbst zu organisieren, was zu einem Membranbruch führt und die bakterizide Wirkung verstärkt13.

Das Auslösen der supramolekularen Selbstorganisation von Peptiden zu Hydrogelen unter Verwendung von Koordinationsmetallen ist eine relativ seltene Methode14. Wenn Metallionen elektrostatisch mit Peptiden wechselwirken, bilden sie Salzbrücken, die Peptidmoleküle verbinden, was zu nicht-kovalenten Wechselwirkungen und Selbstorganisation führt, was zu Gelierungseigenschaften führt. Zum Beispiel entwarfen Abul-Haija et al.15 das Tripeptid FFD, das durch Zugabe von Kupferionen von einer Flüssigkeit in ein Hydrogel übergeht. Tao et al.16 entwickelten das Glutaminsäure- und Phenylalanin-reiche Peptid E3F3, das sich in Gegenwart von Zinkionen selbst zu faserigen Hydrogelen zusammensetzt und für die Verabreichung von Prostatamedikamenten verwendet wird.

Die Bildung von Lösungsmittelaustauschern in Peptidhydrogelen ist die häufigste supramolekulare Selbstorganisationsauslösung. Nachdem sich hydrophobe Peptide in organischen Lösungsmitteln aufgelöst haben, sind ihre hydrophoben Gruppen vollständig freigelegt. Wenn sie in eine wässrige Phase überführt werden, nähern sich die hydrophoben Gruppen einander an, und Wassermoleküle erleichtern die Bildung von Peptid-Wasserstoffbrückenbindungen, was zu einer schnellen Selbstorganisation und einer einfachen Bildung von Hydrogelen führt. Zum Beispiel entwarfen Zhang et al.17 ein Peptid, das sich bei hohen Konzentrationen in polaren organischen Lösungsmitteln stabil auflösen und sich nach Verdünnung mit Wasser selbst zu β-Faltblatt-Strukturen zusammenfügt, um Peptidfaser-Hydrogele zu bilden. Shen et al.13 entwarfen ein reduktives Peptid ECF-5 (ECAFF), das in Dimethylsulfoxid (DMSO) vorgelöst und dann in eine wässrige Phase injiziert wurde, um ein reduktives Hydrogel zu bilden, das zur gezielten Entfernung von reaktiven Sauerstoffspezies verwendet wird, die durch Ischämie-Reperfusion produziert werden und anschließend nach dem Abfangen zu einer Lösung abgebaut werden.

In dieser Studie wurden drei einfache, schnelle und hochgradig verallgemeinerbare Peptid-Hydrogel-Zubereitungsstrategien ausgewählt, die auf früheren Erfahrungen basieren: (1) pH-Reaktionsmethode: Peptide werden in einer Lösung mit einem pH-Wert gelöst, der weit von ihrem isoelektrischen Punkt entfernt ist, und dann wird der pH-Wert auf nahe dem isoelektrischen Punkt eingestellt. Diese Veränderung ermöglicht es bestimmten selbstorganisierenden Peptiden, Fasern zu bilden und Peptid-Hydrogele zu bilden; (2) Methode der Metallionenaddition: Koordinationskationen werden an wasserlösliche, negativ geladene selbstorganisierende Peptide gegeben. Die Metallkoordinationschelatbildung zwischen Peptiden führt zu deren Selbstorganisation zu Hydrogelen; (3) Lösungsmittelaustauschmethode: Hochkonzentrierte Peptide werden in organischen Lösungsmitteln gelöst und dann in eine wässrige Phase verdünnt, wodurch ein Gelierungsverhalten induziert wird.

Protocol

Die Einzelheiten zu den Plasmiden, Reagenzien und Geräten, die in dieser Studie verwendet wurden, sind in der Materialtabelle aufgeführt. 1. Methode der pH-Reaktion Fügen Sie 5 mg ECF-5-Peptide zu 400 μl deionisiertem Wasser hinzu. 30 min lang bei 40 kHz beschallen und gründlich mischen. Geben Sie 40 μl Natriumhydroxid (1 M, filtriert durch einen 0,22 μm-Filter) in die Peptidlösung. Vortexen und gr?…

Representative Results

Die drei in diesem Artikel beschriebenen Methoden zur Herstellung von Peptid-Hydrogelen ermöglichen eine schnelle, kostengünstige und unkomplizierte Produktion. Die Funktion des Hydrogels hängt mit seiner Peptidsequenz zusammen. Hier wird das ECF-5-Peptid als repräsentatives Beispiel verwendet, um seine physikalischen Eigenschaften, einschließlich der mikroskopischen Morphologie und der mechanischen Eigenschaften, zu demonstrieren. Wie in <strong class="x…

Discussion

In den letzten Jahrzehnten wurden nach der Entdeckung selbstorganisierender Peptidsequenzen, die von Amyloid-Proteinen abgeleitet sind, zahlreiche selbstorganisierende Peptide auf der Grundlage ihrer Eigenschaften entworfen, die ein erhebliches Potenzial für Anwendungen in der Biomedizin und den Materialwissenschaften aufzeigen19. Peptid-Hydrogele haben einzigartige Biofunktionalisierungsfähigkeiten in der Gewebekultur, bei der Verabreichung von Medikamenten und…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 11674344 und 22201026) und dem Key Research Program of Frontier Sciences, CAS (Grant No. qyzdj-ssw-SLH019).

Materials

3-Aminopropyl)triethoxysilane Aladdin A107147 /
Atomic Force Microscopy Bruker Multimode Nanoscope VIII /
CaCl2 Aladdin C290953 /
Diphenylalanine (FF) Chinesepeptide customizable Purity > 95%
DMSO Sigma-aldrich 34869 /
ECF-5 Peptides Chinesepeptide sequence: ECAFF Purity > 95%
Hydrochloric Acid Aladdin H399657  /
Mica Sigma-aldrich AFM-71856-02 /
Phosphate Buffered Saline Aladdin P492453 /
Rheometer Anton Paar GmbH MCR302 /
Silicon Cantilevers MikroMasch XSC11 /
Sodium Chloride Aladdin C111549 /
Sodium Hydroxide Aladdin S140903 /
TRIS Hydrochloride Aladdin T431531 /

Referenzen

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

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Diesen Artikel zitieren
Zhao, Y., Hu, M., Gong, Y., Zhao, Y., Shen, Z. Preparation of Mechanically Stable Self-Assembled Peptides Hydrogels. J. Vis. Exp. (211), e67267, doi:10.3791/67267 (2024).

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