Пептид-амфифил
Пептидные амфифилы (ПА) представляют собой пептидов молекулы на основе , которые самособираются в супрамолекулярные наноструктуры, в том числе; сферические мицеллы, скрученные ленты и нановолокна с высоким соотношением сторон . [ 1 ] [ 2 ] Пептид-амфифил обычно содержит гидрофильную пептидную последовательность, присоединенную к липидному хвосту, т.е. гидрофобную алкильную цепь с 10-16 атомами углерода. [ 3 ] Следовательно, их можно считать разновидностью липопептидов . [ 1 ] Особый тип PA состоит из чередующихся заряженных и нейтральных остатков в повторяющемся порядке, например RADA16-I. [ 1 ] ПА были разработаны в 1990-х и начале 2000-х годов и могли использоваться в различных областях медицины, включая: наноносители, нанопрепараты и агенты визуализации. Однако, возможно, их основной потенциал заключается в регенеративной медицине для культивирования и доставки клеток и факторов роста. [ 4 ]
История
[ редактировать ]Пептидные амфифилы были разработаны в 1990-х годах. Впервые они были описаны группой Мэтью Тиррелла в 1995 году. [ 5 ] [ 6 ] Эти первые обнаруженные молекулы ПА состояли из двух доменов: один имел липофильный характер, а другой - гидрофильные, что позволяло самосборку в сфероподобные супрамолекулярные структуры в результате ассоциации липофильных доменов вдали от растворителя (гидрофобный эффект). , что привело к образованию ядра наноструктуры. Гидрофильные остатки подвергаются воздействию воды, образуя растворимую наноструктуру.
Работа Хартгеринка и др. в лаборатории Сэмюэля И. Ступпа в начале 2000-х годов сообщила о новом типе ПА, способном самособираться в удлиненные наноструктуры. Эти новые PA содержат три области: гидрофобный хвост, область аминокислот, образующих бета-лист, и заряженный пептидный эпитоп, предназначенный для обеспечения растворимости молекулы в воде. [ 7 ] [ 8 ] Кроме того, PA могут содержать нацеливающий или сигнальный эпитоп, который позволяет сформированным наноструктурам выполнять биологическую функцию, либо нацеливающую, либо сигнальную, путем взаимодействия с живыми системами. [ 9 ] [ 10 ] Механизм самосборки этих PA представляет собой комбинацию водородных связей между аминокислотами, образующими бета-лист, и гидрофобного коллапса хвостов, что приводит к образованию цилиндрических мицелл , которые представляют пептидный эпитоп с чрезвычайно высокой плотностью на поверхности нановолокон. Изменяя pH или добавляя противоионы для экранирования заряженных поверхностей волокон, можно образовывать гели. Показано, что введение растворов пептид-амфифилов in vivo приводит к образованию геля in situ за счет присутствия противоионов в физиологических растворах. Это, наряду с полной биоразлагаемостью материалов, предполагает многочисленные применения в in vitro и in vivo терапии .
Структура
[ редактировать ]Большинство самособирающихся молекул являются амфифильными , то есть имеют как гидрофобный , так и гидрофильный характер. Пептидные амфифилы представляют собой класс молекул, состоящих либо из гидрофобных и гидрофильных пептидных последовательностей, либо из гидрофильных пептидов с присоединенной гидрофобной группой, которая обычно представляет собой алкильную цепь . Структура пептида-амфифила имеет четыре ключевых домена. Во-первых, есть гидрофобный участок, обычно алкильная цепь. Во-вторых, существует пептидная последовательность, которая образует межмолекулярную водородную связь. В-третьих, имеется участок заряженных аминокислотных остатков для повышения растворимости пептида в воде. Последняя структурная особенность позволяет пептиду взаимодействовать с биомолекулами, клетками или белками, часто через эпитопы (часть антигенов, распознаваемых иммунной системой). [ 11 ]
Как и в случае с другими амфифильными молекулами, пептидные амфифилы при концентрации выше критической концентрации связываются посредством нековалентных взаимодействий с образованием упорядоченных ансамблей разных размеров, от нанометров до микронов. [ 12 ] Молекулы, которые содержат как полярные, так и неполярные элементы, минимизируют неблагоприятные взаимодействия с водной средой посредством агрегации, что позволяет гидрофильным фрагментам подвергаться воздействию водной среды, а гидрофобным фрагментам быть защищенными. Когда происходит агрегация, могут образовываться различные агрегаты в зависимости от многих параметров, таких как концентрация, pH, температура и геометрия. Образующиеся ансамбли варьируются от мицелл до двухслойных структур , таких как везикулы , а также фибрилл и гелей . [ 13 ]
Мицеллы состоят из гидрофобного внутреннего ядра, окруженного гидрофильной внешней оболочкой, подвергающейся воздействию растворителя, а их структура может представлять собой сферы, диски или червеобразные сборки. [ 14 ] Мицеллы образуются спонтанно, когда концентрация превышает критическую концентрацию мицелл и температуру. [ 15 ] Амфифилы с промежуточным уровнем гидрофобности предпочитают собираться в двухслойные везикулы. Везикулы представляют собой сферические, полые, пластинчатые структуры, окружающие водное ядро. Гидрофобный фрагмент обращен внутрь и образует внутреннюю часть бислоя, а гидрофильный фрагмент подвергается воздействию водной среды на внутренней и внешней поверхности. Мицеллярные структуры имеют гидрофобную внутреннюю часть и гидрофильную внешнюю. [ 16 ]
Обычно существует четкая связь между амфифильным характером пептида и его функцией, поскольку амфифильный характер определяет свойства самосборки, а это, в свою очередь, придает пептиду его функциональность. Уровень амфифильности может существенно различаться у пептидов и белков; как таковые они могут отображать области, которые по своей природе являются либо гидрофобными, либо гидрофильными. Примером этого является цилиндрическая структура α-спирали , поскольку она может содержать участок гидрофобных остатков вдоль одной стороны цилиндра и гидрофильный участок остатков на противоположной стороне цилиндра. В структурах β-листа пептидная цепь может состоять из чередующихся гидрофильных и гидрофобных остатков, так что боковые цепи остатков располагаются на противоположных сторонах листа. [ 17 ] В клеточной мембране пептиды сворачиваются в спирали и листы, позволяя неполярным остаткам взаимодействовать с внутренней частью мембраны, а полярные остатки подвергаются воздействию водной среды. Эта самосборка позволяет пептидам дополнительно оптимизировать свое взаимодействие с окружающей средой.
Пептидные амфифилы очень полезны в биомедицинских целях и могут использоваться в качестве терапевтических средств для лечения заболеваний путем транспортировки лекарств через мембраны в определенные места. Затем они метаболизируются в липиды и аминокислоты, которые затем легко выводятся почками. [ 18 ] Это происходит за счет того, что гидрофобный хвост способен пересекать клеточную мембрану, позволяя пептидному эпитопу нацеливаться на конкретную клетку с помощью комплекса лиганд-рецептор. [ 19 ] Другими применениями пептидных амфифилов являются использование в противомикробных препаратах, средствах по уходу за кожей и косметике, а также доставка генов, и это лишь некоторые из них. [ 20 ]
Приложения
[ редактировать ]Модульная природа химического состава позволяет настраивать как механические свойства, так и биологическую активность получаемых самоорганизующихся волокон и гелей. Биоактивные последовательности можно использовать для связывания факторов роста с целью локализации и представления их клеткам с высокой плотностью или для прямой имитации функции эндогенных биомолекул. Эпитопы, имитирующие адгезивную петлю RGD в фибронектине , последовательность IKVAV в ламинине и консенсусную последовательность для связывания сульфата гепарина, — это лишь некоторые из большой библиотеки последовательностей, которые были синтезированы. Было показано, что эти молекулы и материалы, изготовленные из них, эффективны в стимулировании клеточной адгезии, заживлении ран, минерализации костей, дифференцировке клеток и даже восстановлении функций после травмы спинного мозга у мышей.
В дополнение к этому, пептидные амфифилы можно использовать для формирования более сложных архитектур, которые можно настраивать по требованию. В последние годы два открытия позволили получить биоактивные материалы с более совершенной структурой и потенциальным применением. В одном исследовании термическая обработка растворов пептидных амфифилов привела к образованию в материале больших двулучепреломляющих доменов, которые можно было выровнять с помощью слабой силы сдвига в один непрерывный монодоменный гель из выровненных нановолокон. Низкие силы сдвига, используемые при выравнивании материала, позволяют инкапсулировать живые клетки внутри этих выровненных гелей и предлагают несколько вариантов применения в регенерации тканей, функция которых зависит от полярности и выравнивания клеток. В другом исследовании комбинация положительно заряженных пептидных амфифилов и отрицательно заряженных длинных биополимеров привела к образованию иерархически упорядоченных мембран. Когда два раствора вступают в контакт, электростатическое комплексообразование между компонентами каждого раствора создает диффузионный барьер, который предотвращает смешивание растворов. Со временем разница осмотического давления приводит к рептации полимерных цепей через диффузионный барьер в пептид-амфифильный отсек, что приводит к образованию волокон, перпендикулярных границе раздела, которые со временем растут. Эти материалы можно изготавливать в виде плоских мембран или сферических мешочков путем капания одного раствора в другой. Эти материалы достаточно прочны, чтобы их можно было обрабатывать механически, а ряд механических свойств можно получить, изменяя условия и время роста. Они могут включать в себя биоактивные пептидные амфифилы, инкапсулировать клетки и биомолекулы, а также являются биосовместимыми и биоразлагаемыми.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]
В эту статью включен текст Джессики Хатчинсон, доступный по лицензии CC BY-SA 3.0 .
- ^ Jump up to: а б с Хэмли И.В. (18 апреля 2011 г.). «Самосборка амфифильных пептидов» (PDF) . Мягкая материя . 7 (9): 4122–4138. Бибкод : 2011SMat....7.4122H . дои : 10.1039/C0SM01218A . ISSN 1744-6848 .
- ^ Дехсорхи А, Кастеллетто В, Хэмли И.В. (июль 2014 г.). «Самособирающиеся амфифильные пептиды» . Журнал пептидной науки . 20 (7): 453–67. дои : 10.1002/psc.2633 . ПМЦ 4237179 . ПМИД 24729276 .
- ^ Хэмли И.В. (май 2015 г.). «Липопептиды: от самосборки к биологической активности» . Химические коммуникации . 51 (41): 8574–83. дои : 10.1039/C5CC01535A . ПМИД 25797909 .
- ^ Руберт Перес CM, Стефанопулос Н, Сур С, Ли СС, Ньюкомб С, Ступп С.И. (март 2015 г.). «Мощные функции биоактивных матриц на основе пептидов для регенеративной медицины» . Анналы биомедицинской инженерии . 43 (3): 501–14. дои : 10.1007/s10439-014-1166-6 . ПМК 4380550 . ПМИД 25366903 .
- ^ Ю Ю.К., Берндт П., Тиррелл М., Филдс Г.Б. (1 января 1996 г.). «Самособирающиеся амфифилы для построения молекулярной архитектуры белка». Журнал Американского химического общества . 118 (50): 12515–12520. дои : 10.1021/ja9627656 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Берндт П., Филдс Г.Б., Тиррелл М. (1 сентября 1995 г.). «Синтетическое липидирование пептидов и аминокислот: монослойная структура и свойства». Журнал Американского химического общества . 117 (37): 9515–9522. дои : 10.1021/ja00142a019 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Хартгеринк Дж. Д., Бениаш Э., Ступп С. И. (ноябрь 2001 г.). «Самосборка и минерализация пептидно-амфифильных нановолокон» . Наука . 294 (5547): 1684–8. Бибкод : 2001Sci...294.1684H . дои : 10.1126/science.1063187 . ОСТИ 1531578 . ПМИД 11721046 . S2CID 19210828 .
- ^ Хартгеринк Дж. Д., Бениаш Э., Ступп С. И. (апрель 2002 г.). «Пептидно-амфифильные нановолокна: универсальный каркас для приготовления самособирающихся материалов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (8): 5133–8. дои : 10.1073/pnas.072699999 . ПМК 122734 . ПМИД 11929981 .
- ^ Куи Х, Уэббер М.Дж., Ступп С.И. (20 января 2010 г.). «Самосборка пептидных амфифилов: от молекул к наноструктурам и биоматериалам» . Биополимеры . 94 (1): 1–18. дои : 10.1002/бип.21328 . ПМК 2921868 . ПМИД 20091874 .
- ^ Хендрикс, член парламента, Сато К., Палмер Л.С., Ступп С.И. (октябрь 2017 г.). «Супрамолекулярная сборка пептидных амфифилов» . Отчеты о химических исследованиях . 50 (10): 2440–2448. doi : 10.1021/acs.accounts.7b00297 . ПМЦ 5647873 . ПМИД 28876055 .
- ^ Куи Х., Уэббер М.Дж., Ступп С.И. (2010). «Самосборка пептидных амфифилов: от молекул к наноструктурам и биоматериалам» . Биополимеры . 94 (1): 1–18. дои : 10.1002/бип.21328 . ПМЦ 2921868 . ПМИД 20091874 .
- ^ Ту РС, Тиррелл М (сентябрь 2004 г.). «Проектирование биомиметических сборок снизу вверх» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 56 (11): 1537–63. дои : 10.1016/j.addr.2003.10.047 . ПМИД 15350288 .
- ^ Лёвик Д.В., ван Хест Дж.К. (май 2004 г.). «Амфифилы на основе пептидов» . Обзоры химического общества . 33 (4): 234–45. дои : 10.1039/B212638A . hdl : 2066/13849 . ПМИД 15103405 . S2CID 1517441 .
- ^ Читемир Р.П., Стафслиен С., Расулев Б., Вебстер Д.К., Квадир М. (ноябрь 2018 г.). «Сойсома: не содержащая поверхностно-активных веществ, полностью биооснованная, самособираемая платформа для наномасштабных приложений доставки лекарств» . Прикладные биоматериалы ACS . 1 (6): 1830–41. дои : 10.1021/acsabm.8b00317.s001 . ПМИД 34996284 .
- ^ Торчилин В.П. (январь 2007 г.). «Мицеллярные наноносители: фармацевтические перспективы» . Фармацевтические исследования . 24 (1): 1–16. дои : 10.1007/s11095-006-9132-0 . ПМИД 17109211 . S2CID 6194357 .
- ^ Кита-Токарчик К., Грумелар Дж., Хэфеле Т., Мейер В. (май 2005 г.). «Блок-сополимерные везикулы — использование концепций химии полимеров для имитации биомембран» . Полимер . 46 (11): 3540–3563. doi : 10.1016/j.polymer.2005.02.083 .
- ^ Шах Р.Н., Шах Н.А., Дель Росарио Лим М.М., Се С., Нубер Г., Ступп С.И. (февраль 2010 г.). «Супрамолекулярный дизайн самособирающихся нановолокон для регенерации хряща» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (8): 3293–8. дои : 10.1073/pnas.0906501107 . ПМК 2840471 . ПМИД 20133666 .
- ^ Шах Р.Н., Шах Н.А., Дель Росарио Лим М.М., Се С., Нубер Г., Ступп С.И. (февраль 2010 г.). «Супрамолекулярный дизайн самособирающихся нановолокон для регенерации хряща» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (8): 3293–8. дои : 10.1073/pnas.0906501107 . ПМК 2840471 . ПМИД 20133666 .
- ^ Аккардо А., Тезауро Д., Мангиапия Г., Педоне С., Морелли Г. (2007). «Наноструктуры путем самосборки пептидных амфифилов как потенциальные селективные носители лекарств» . Биополимеры . 88 (2): 115–21. дои : 10.1002/bip.20648 . ПМИД 17154288 .
- ^ Дехсорхи А, Кастеллетто В, Хэмли И.В. (июль 2014 г.). «Самособирающиеся амфифильные пептиды» . Журнал пептидной науки . 20 (7): 453–67. дои : 10.1002/psc.2633 . ПМЦ 4237179 . ПМИД 24729276 .