化學(xué)合成高分子生物材料研究進(jìn)展

李 巖，沙赟穎，孫婷婷，劉楚陽

(泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，泰州市骨組織工程技術(shù)中心，江蘇 泰州 225300)

化學(xué)合成的高分子生物材料，由于其介導(dǎo)細(xì)胞行為和功能的生物物理和生物化學(xué)環(huán)境可以設(shè)計(jì)和調(diào)整，因此在現(xiàn)代再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域中具有核心作用。生物材料的這種介導(dǎo)作用在細(xì)胞基治療和無細(xì)胞治療中都可以促進(jìn)損傷組織或者功能缺失組織的結(jié)構(gòu)和功能的修復(fù)。生物材料在細(xì)胞基治療中的典型應(yīng)用是在體外構(gòu)建生物工程化組織時(shí)，作為載體遞送移植細(xì)胞，或作為基質(zhì)誘導(dǎo)形態(tài)生成；而在無細(xì)胞中的典型應(yīng)用是原位誘導(dǎo)健康殘留組織的細(xì)胞長入生物材料中并進(jìn)行正常分化。這樣的材料可以提供臨時(shí)的三維支架，來支撐生物分子和細(xì)胞的相互作用，控制細(xì)胞功能的發(fā)揮，在空間和時(shí)間上介導(dǎo)組織形成和再生中復(fù)雜的多細(xì)胞過程。

1 天然ECMs

從結(jié)構(gòu)上來看，天然ECMs是由各種各樣的蛋白原纖維和纖維，在糖胺聚糖鏈水合網(wǎng)絡(luò)中相互編織而成的凝膠。它們大多數(shù)的基礎(chǔ)功能中，ECMs作為一種支架結(jié)構(gòu)，與組織液相連，抵抗張力 (通過原纖維)和壓縮力 (通過水合網(wǎng)絡(luò))。在這種要求下，構(gòu)建具有一定機(jī)械強(qiáng)度的支架結(jié)構(gòu)，需要的固體材料比例一般少于1%。結(jié)構(gòu)性的ECMs包括膠原蛋白和彈性蛋白。一些纖長而硬的膠原蛋白起到支架結(jié)構(gòu)功能，而其他的則作為連接和識(shí)別體存在。彈性蛋白則由彈性纖維和彈性板形成一個(gè)廣泛交叉連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。天然ECMs中各向異性的原纖維結(jié)構(gòu)會(huì)對刺激作出反應(yīng)引起細(xì)胞行為。由于骨架和ECMs之間通過細(xì)胞表面受體形成緊密連接，細(xì)胞通過將細(xì)胞所處環(huán)境的力學(xué)信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號并對力學(xué)刺激產(chǎn)生反應(yīng)。最終，ECMs的生物物理性質(zhì)影響各種細(xì)胞作用，包括粘附和遷移[1]。

2 微觀非原纖維合成材料

利用超分子自組裝技術(shù)構(gòu)建原位納米纖維基質(zhì)的技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。受到蛋白質(zhì)自組裝技術(shù)發(fā)展的鼓舞，運(yùn)用自組裝的方法，如低聚肽自組裝，核苷酸自組裝以及良性分子模塊自組裝，通過非共價(jià)鍵分子間相互作用，組成了更高水平的結(jié)構(gòu)。然而，這些系統(tǒng)中的許多是要求在極端環(huán)境中（對細(xì)胞而言）進(jìn)行自組裝，一些在近生理?xiàng)l件下還會(huì)形成凝集。例如，運(yùn)用自相互補(bǔ)兩性肽自組裝技術(shù)，改進(jìn)了具有高水含量（＞99%）的納米纖維凝膠的一些性質(zhì)。在合適的培養(yǎng)條件下，這些基質(zhì)已經(jīng)被證明可以維持已分化的神經(jīng)細(xì)胞和軟骨組織作用，并且可以提高干細(xì)胞的分化能力。盡管沒有攜帶任何特異性的生物作用配體，這些凝膠已經(jīng)可以作為三維條件下的支架材料。Deming和他的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)來源于兩親化合物的纖維水凝膠，在低固相組分和溫和條件下自組裝可以支撐細(xì)胞膠束。合理的設(shè)計(jì)原則已經(jīng)被運(yùn)用于控制纖維的形態(tài)發(fā)生和支架結(jié)構(gòu)。Stupp和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過合成自組裝低聚物——兩親化合物形成的超分子凝膠，允許特異的生物信號分子合并；在支架內(nèi)，被包裹著的神經(jīng)原祖細(xì)胞分化成為神經(jīng)元細(xì)胞，并出現(xiàn)了層黏連蛋白衍生肽IKVAV。這個(gè)非常有預(yù)見性的結(jié)果證實(shí)了生物機(jī)械刺激和生物分子模塊間某種潛在的聯(lián)系。

3 納米纖維化學(xué)合成水凝膠

天然ECMs的水凝膠特性是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)特征，知道了這個(gè)特性，那么合成水凝膠在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的重要作用就不難理解了。一些有特色的結(jié)構(gòu)使合成水凝膠可以出色地模擬天然ECMs的理化性質(zhì)。由于分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，親水性多聚體可以引起組織類似的黏彈性、擴(kuò)散運(yùn)輸、毛細(xì)流動(dòng)等特性。對于細(xì)胞包含性水凝膠尤為重要的是，反應(yīng)設(shè)計(jì)已經(jīng)被改進(jìn)，可以在原位溫和有效地形成結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞存在時(shí)，可形成來源于ECMs組分的凝膠。這種溫和的性質(zhì)甚至在體內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)，例如運(yùn)用最低限度侵入外科技術(shù)，直接植入組織缺損處。在合成凝膠中，多種生物學(xué)特性是可能進(jìn)行合并的，包括細(xì)胞黏附配體，蛋白質(zhì)分解感病特性以及生物學(xué)相關(guān)的彈性。

4 存在不溶性配體的化學(xué)合成高分子材料

ECMs可以提供多種作用的黏附配體，包括纖連蛋白、玻連蛋白、層黏連蛋白等，這些蛋白可以介導(dǎo)細(xì)胞行為的發(fā)展和維持。整連蛋白是一個(gè)跨膜蛋白的大家族，它們是異二聚體，細(xì)胞表面分子，它們的作用是作為動(dòng)物細(xì)胞ECMs黏附分子的關(guān)鍵受體。整連蛋白主要連接ECMs大分子和細(xì)胞骨架，同時(shí)也介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞間的黏附以及鍵合蛋白酶。當(dāng)ECMs連接配體時(shí)，整連蛋白出現(xiàn)群集效應(yīng)并且與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子相結(jié)合，從而激活特異性信號途徑，包括由蛋白激酶C，小GTPases Rac和Rho以及MAP激酶調(diào)節(jié)的途徑。整連蛋白介導(dǎo)跨膜細(xì)胞信號傳遞，是細(xì)胞黏附、遷移和其他許多細(xì)胞行為的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)器[2-3]。

ECMs黏附蛋白中的低聚序列的鑒定，為創(chuàng)造配體作用材料提供了重要依據(jù)。的確，許多細(xì)胞黏附配體被植入材料中，在配體形式、濃度和空間分布上進(jìn)行調(diào)控。高度特異的合成ECMs類似物，也許可以幫助解答細(xì)胞與ECMs相互作用的信號分子復(fù)雜性問題。最近的一些研究，包括計(jì)算出某種細(xì)胞反應(yīng)需要的配體濃度的信息，在二維和三維修飾基質(zhì)及合成凝膠條件下，黏附配體濃度對細(xì)胞遷移的影響，發(fā)現(xiàn)黏附配體對非尺度空間排列的細(xì)胞應(yīng)答，配體梯度的適當(dāng)交聯(lián)，最后研究與再生有關(guān)的信號。這些研究產(chǎn)生了一些可良好控制的生物材料基質(zhì)模型，形成了基本的細(xì)胞生物學(xué)原則。

5 可連接和釋放可溶性效應(yīng)物的化學(xué)合成高分子材料

天然的ECMs分子通過局部連接、儲(chǔ)存和釋放可溶性ECMs影響因子 (如生長因子)的能力，驅(qū)動(dòng)組織模塊在正確的時(shí)間處于正確的位置。當(dāng)許多生長因子連接到ECMs分子表面時(shí)，例如肝素硫酸蛋白聚糖的靜電相互作用，可以增加它們的局部濃度，從而適應(yīng)信號變化，使它們的形態(tài)出現(xiàn)活力局部化現(xiàn)象，保護(hù)它們免受酶的降解，并且在某些情況下通過激活受體——配體相互作用增加它們的生物活性。然而，對于某一生物反應(yīng)來說，生長因子的需求量又是及其微小的。因此，設(shè)計(jì)合成生長因子基質(zhì)的關(guān)鍵點(diǎn)是控制局部生長因子的濃度。一些是使工程化生長因子從生物材料釋放的方法已經(jīng)存在，并且在動(dòng)物模型的骨、皮膚再生和血管化誘導(dǎo)中取得了初步的成果。對于許多涉及到形態(tài)發(fā)生的細(xì)胞進(jìn)程，要求一個(gè)復(fù)雜的細(xì)胞信號傳遞網(wǎng)絡(luò)和多于一個(gè)的生長因子。最近的研究熱點(diǎn)聚焦在設(shè)計(jì)多生長因子的連續(xù)投遞方案，生長因子傳遞過程中的生物反饋現(xiàn)象也被研究。在這種情況下，通過細(xì)胞介質(zhì)從基質(zhì)中局部水解蛋白，生長因子與基質(zhì)連接并且釋放在細(xì)胞區(qū)域；在植入細(xì)胞進(jìn)行組織修復(fù)時(shí)，生長因子從體內(nèi)儲(chǔ)存的天然ECMs中釋放[4]。

6 刺激敏感性化學(xué)合成高分子材料

許多合成生物材料的設(shè)計(jì)是通過酯水解來實(shí)現(xiàn)降解的，這種基質(zhì)的非酶水解在體內(nèi)并不常見。然而，天然ECMs的高分子組分是通過細(xì)胞分泌和細(xì)胞活化蛋白酶（主要是基質(zhì)金屬蛋白酶MMP、絲氨酸蛋白酶）降解。這樣就創(chuàng)造了一個(gè)與ECMs刺激細(xì)胞、細(xì)胞蛋白酶重組以及釋放活性組分相逆的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。隨后將更加詳細(xì)地討論細(xì)胞介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解。這一過程通常要求三維的細(xì)胞遷移和植入，因?yàn)镋CMs的多孔性可能導(dǎo)致屏障作用從而阻礙遷移。

在合成多聚體凝膠中，利用天然ECMs模擬人的蛋白質(zhì)水解重組過程，已經(jīng)取得了令人興奮的成果，這是一個(gè)巨大的生物分子——敏感性網(wǎng)絡(luò)。這些材料的蛋白質(zhì)水解敏感性通過親水性聚合物與蛋白質(zhì)水解敏感性低聚肽或蛋白質(zhì)組成模塊或遠(yuǎn)鰲肽側(cè)面PEG共聚交聯(lián)物進(jìn)行共聚產(chǎn)生。

7 展望

盡管生物材料的發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，但是仍需投入大量的工作，開發(fā)能夠仿生胞外微環(huán)境復(fù)雜的生物識(shí)別機(jī)制和信號傳導(dǎo)作用的生物材料和生物分子方法，用于組織工程、組織修復(fù)和組織再生。控制多個(gè)分子信號共存時(shí)的動(dòng)力學(xué)和空間排布仍然是未來需要解決的問題之一。