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華東理工大學劉潤輝教授JACS封面: 在生物材料表面調控細胞行為研究的最新成果
2019-10-08  來源:高分子科技
關鍵詞:PEG 生物材料 多肽

  醫用生物材料植入體內與肌體反應首先發生在材料表/界面,因此,材料表/界面如何調控細胞行為是生物材料研究領域的基礎和核心科學問題,也是研究和發展活性生物材料的關鍵。源于生命體的功能多肽已經被廣泛用于生物材料表面修飾、進行細胞行為調控和獲得生物活性材料。但是,細胞非特異性粘附阻礙了這些多肽的發現、功能研究和展示。很多研究者已經意識到了這個問題,并廣泛使用聚乙二醇(PEG)作為材料表面抗污層并進一步接枝功能多肽,但是,長期以來PEG鏈長對于展示多肽功能的影響仍不明確。

  針對以上問題,華東理工大學劉潤輝教授課題組深入研究并建立普適性生物材料表面活性修飾方法,同時闡釋了PEG鏈長的選擇對于生物結果的影響及原因,最終發現中等鏈長(OEG8)能夠極大的降低材料表面背景干擾、并能充分展示多肽的功能這一關鍵科學問題的解決, 為高效的篩選功能分子以及研究其與細胞的相互作用提供了基礎和平臺。該研究成果以題為“Impact of Antifouling PEG Layer on the Performance of Functional Peptides in Regulating Cell Behaviors”發表在《JACS》上,并被選為封面文章。

Figure 1. Cell adhesion studies indicate OEG8 as an excellent antifouling layer to demonstrate the genuine and optimal function of cell-selective CAPs.

  首先,選用常見的具有細胞選擇性的粘附功能多肽(CAP,例如KRSR,YIGSR和VAPG)來研究它們對于成骨細胞,內皮細胞,平滑肌細胞的選擇性粘附效果,他們發現只有中等鏈長的PEG(OEG8)才能最大程度的發揮CAP的特異性細胞粘附作用。

Figure 2. Study on how the antifouling PEG layer affect the genuine function of CAPs.

  為了探索其中的原因,論文進一步研究了表面蛋白吸附和表面的多肽接枝密度。發現較短鏈長的PEG雖然可以達到較高的多肽接枝密度,但是對于蛋白吸附的抵制能力較差,蛋白在其上面的非特異性吸附導致了細胞的非特異性粘附,也阻礙了多肽與細胞的相互作用。長鏈的PEG雖然可以獲得較好的抗污效果,將背景降到最低,但是由于長鏈PEG自身的接枝密度比OEG4和OEG8低,而且冗長的鏈段可能導致端基的活性位點被包埋,多肽接枝密度明顯降低,可能嚴重影響多肽功能的發揮。

Figure 3. ECs and SMCs migration on YIGSR-modified surfaces indicate OEG8 as an excellent antifouling layer to demonstrate the genuine and optimal function of EC-selective YIGSR peptide.

  接下來,通過能特異性識別內皮細胞(EC)的YIGSR多肽在細胞遷移實驗中進一步驗證。發現在OEG4表面接枝YIGSR的效果仍然不理想,未能展示YIGSR應有的EC選擇性;中等鏈PEG連接的YIGSR對EC細胞遷移速率最大,充分展示了YIGSR應有的EC選擇性。這與細胞粘附的結論一致,OEG8能夠充分體現多肽功能。

Figure 4. BMSCs differentiation on RGD peptide-, BMP-2 peptide-, and RGD/BMP-2 dual ligand-modified surfaces indicate OEG8 as an excellent antifouling layer to demonstrate the genuine and optimal function of BMP-2 peptide in modulating stem cell differentiation.

  最后,研究RGD(細胞粘附多肽)和BMP-2多肽(促成骨分化多肽)同時接枝的表面,使用“dual-ligand”模型,協同促進骨髓間充質干細胞(BMSC)的成骨分化。發現使用OEG4作為抗粘附層不能充分展示兩個不同功能多肽的協同效應,并且由于血清蛋白的吸附,影響BMP-2多肽與細胞作用。而用OEG8作為抗粘附層,能夠優化的展示“dual-ligand”促進細胞粘附和干細胞定向分化的理想功能。

  此論文通過細胞粘附、遷移和定向分化分別研究和展示了中等長度的PEG抗粘附分子(OEG8)對于最優化的展示多肽本真功能的重要性。這個圍繞生物材料表/界面中的核心科學問題的研究,為理解和調控多肽與細胞的相互作用提供科學基礎,也為高效篩選新的功能多肽、并應用于生物材料和組織工程等相關領域提供了優化的技術平臺。

  該論文的第一作者為華東理工大學研究生陳琦,通訊作者為華東理工大學劉潤輝教授,研究得到合作者浙江大學高長有教授、毛崢偉教授和于珊博士的大力支持。該研究得到科技部、國家自然科學基金委等基金的資助。

  論文鏈接:  https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.9b07105

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(責任編輯:xu)
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