细胞外基质（Extracellular Matrix: ECM）的生物化学和生物物理特性在调节细胞行为如增殖、迁移和分化中发挥着关键作用。工程化蛋白质水凝胶具有高度可调的多功能特性，能够模拟天然细胞外基质的关键特征。在这篇文章中， 美国斯坦福大学材料学院的Sarah Heilshorn教授团队综述了蛋白质水凝胶作为仿生支架用于三维细胞培养的最新进展，从分子层面（molecular-level）和水凝胶网络层面 (network-level) 讨论了构建仿生支架的多样化策略。分子层面，综述重点讨论了通过对氨基酸序列的调控，设计蛋白质骨架中的结构模块、生物活性模块和刺激响应模块，以实现对支架特性高度精确和可调的控制。水凝胶网络层面，综述讨论了用于稳定动态蛋白质网络的物理和化学交联方法。最后，综述对工程化蛋白质基水凝胶作为仿生细胞支架的未来发展方向进行了讨论。该工作以题为“Engineered protein hydrogels as biomimetic cellular scaffolds” 发表在《Advanced Materials》上。
蛋白质水凝胶是由蛋白质分子组成的三维高分子凝胶网络。这些水凝胶通过蛋白质的自组装或交联形成，具有生物活性，能够诱导各种细胞行为，因此非常适合作为组织工程和再生医学中的细胞支架。用于细胞培养的水凝胶可以使用天然衍生的生物聚合物或合成聚合物制造。前者通常具有固有的生物活性，但可能存在批次间的差异、不确定的杂质和生长因子，以及生化和生物物理特性调节的限制。而合成聚合物具有优异的重现性和可调控性，但通常需要通过额外修饰来赋予生物功能，并且在降解后可能会产生潜在的毒性和炎症副产物。作为一种结合这两类支架优点的替代方法，工程化蛋白质基水凝胶可重复制造、可调控性，并且能够设计为具有固有的生物活性。通过设计蛋白质骨架的氨基酸序列或化学修饰氨基酸侧链，工程化蛋白质基水凝胶能够具有明确的结构和仿生功能，作为三维支架用于细胞培养。工程化蛋白质基水凝胶使得开发出能够模拟天然细胞外基质（ECM）关键结构和组成特征的仿生环境成为可能。在设计工程化蛋白质基水凝胶以提供仿生指令性信号时，需要考虑几个关键设计标准，包括1）结构特性，2）机械特性，3）生物活性特性，以及4）生物响应性和动态特性，这些特性显著影响细胞行为。本文讨论了用于细胞支架的工程化蛋白质水凝胶的模块化设计，从提供机械性能的结构性模块开始，讨论了物理化学方法交联形成稳定的三维水凝胶网络。随后描述了如何将生物活性性能设计到支架中以促进细胞粘附和生物降解。最后，总结了如何引入刺激响应以赋予动态功能。在每个部分，本文介绍了几项近期的工程化蛋白质基水凝胶的案例研究，以突出控制这四种材料特性策略的多样性。作者在文章中首先总结了基于弹性蛋白（elastin-like polypeptide: ELP）、弹性素 (resilin-like polypeptide: RLP) 和丝蛋白 (silk-like polypeptide: SLP) 的结构性氨基酸序列在蛋白质水凝胶细胞支架的应用。ELP 和RLP作为固有无序蛋白（IDPs），不形成类似纤维的有序结构，但是拥有独特的低温或高温相转变性质。通过利用这种特性，研究者们可以精准调控蛋白质凝胶的温度响应性能、机械性能，以及形成微观可调控的微孔结构。相比之下，SLP可以通过自组装形成半结晶的β-sheet结构，更好的形成类似生物外基质的纤维网络。同时，SLP还可以和ELP、RLP结合成为嵌段式蛋白质分子，通过对嵌段氨基酸序列、嵌段长度的调控，可以调节相转变的微观结构，以及无定形与微纤维结构的比例。通过这种策略设计的蛋白质水凝胶可用于研究细胞对不同结构的响应，为组织工程相关的应用提供基础。作者在文章中总结分类了不同的水凝胶交联策略。物理交联主要包括：1）单组份螺旋自组装，和2）基于分子识别的双组份组装。化学交联主要分成三类：1) 通过氨基酸侧链的固有化学基团交联，2) 通过化学修饰引入非固有官能团交联，或 3) 通过设计引入特殊的多肽序列进行酶促反应交联。物理交联形成的蛋白质水凝胶通常具有剪切变稀和自我修复的性质，但是机械性能较弱且容易被快速侵蚀。化学交联而成的水凝胶增强了细胞支架的稳定性，但通常会限制细胞对环境的重塑性。通过设计和修饰蛋白质序列和化学结构，引入不同的物理和化学交联方式，能够对蛋白质水凝胶网络实现更好的机械性能调节，以模拟生物外基质的特性。细胞外基质中包含多种蛋白质和生长因子，能够调控细胞的迁移、分裂和分化。本文总结了设计蛋白质水凝胶时可参考的三类生物活性：1）引入细胞黏附的氨基酸序列，2）引入可生物降解的氨基酸序列，2）引入基于生长因子的氨基酸序列。作者总结了常见的生物活性氨基酸序列，并且重点讨论了不同生物活性链段在细胞支架中的应用。鉴于细胞外基质环境的复杂性和多样性，整合素和生长因子受体信号之间的相互作用和协同作用都对细胞反应有所贡献，作者提出未来研究不应局限于单一的生物活性序列，探究多种活性物质的相互作用和相应的细胞行为应受到重视。天然细胞外基质是一个高度动态的环境，能够持续被细胞改变和重塑。因此，设计动态工程化蛋白质水凝胶对特定触发因素如温度、光线和酶活性做出响应，能够更好的模拟细胞生长环境。作者重点讨论了温度响应、光响应和酶响应的蛋白质水凝胶设计案例，并讨论了未来潜在的发展和应用。最后，文章对未来的发展方向提出了几点展望。1）结构上，应注重蛋白质水凝胶的纤维结构，为细胞支架提供微观和宏观有序性以更好的模拟天然细胞外基质和诱导细胞生长。生物活性方面，未来可研究两种及以上的生物活性物质的相互作用对细胞行为的影响。响应性功能性方面，更多响应性方式例如离子相应、电磁场、超声响应值得被探索，以 实现生物相容的、可逆的动态水凝胶性质调控。2）蛋白质网络交联策略方面，为了在不干扰生物活性或细胞的情况下稳定仿生支架，仍然需要更多高度特异性、高效且细胞相容的生物正交化学交联方法。巧妙结合物理和化学交联策略以促进细胞对仿生支架的重塑性仍然是未来的挑战和发展方向。3）计算模型的整合在工程化蛋白质设计中具有巨大的潜力。未来的方向可能包括扩展多肽序列和结构的数据库，预测蛋白质交联网络的物理化学性质，从而实现高度可调节的水凝胶和功能特性。--检测服务--
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