細胞外基質(zhì)為構(gòu)成組織提供了支架。組織的3D結(jié)構(gòu)是由細胞-基質(zhì)和細胞-細胞間的相互作用決定的。過去的20年已被證明了許多基質(zhì)支架蛋白和它們的構(gòu)成性的生物活性黏附基序[1]。發(fā)育生物學的研究增加了我們對這些基序的時空表達方面的知識—生物活性黏附或抗黏附作用在組織發(fā)育過程中短暫發(fā)生或在器官的整個生命過程中永久存在以確保成體組織的結(jié)構(gòu)。許多在發(fā)育階段負責組織構(gòu)成的分子信號在成體動物體內(nèi)是不存在的。因此，在胞外基質(zhì)中組織構(gòu)成的信號存在或不存在決定組織的再生能力。這些分子信號也負責例如軸突再生的特定細胞功能。對組織修復的需要已經(jīng)刺激能用于人造組織和諸如生物傳感器的可移植裝置的生物材料支架的發(fā)展。
理想的候選生物材料支架應嚴格符合以下標準: (1)有易于設計和修飾的基本單元；(2)該材料的生物降解速度可調(diào)控；(3)沒有細胞毒性；(4)具有能特異促進或抑制細胞-材料相互作用的特性；(5)能引發(fā)的免疫反應和炎癥最小；(6)材料的生產(chǎn)、純化和處理是容易的并可升級和(7)有與水溶液和生理條件的化學相容性。與這些條件中的任何一項不符將給該候選生物材料的潛在應用帶來限制。
從蛛絲到胞外基質(zhì)蛋白來的材料給生物材料支架提供了良好的樣本。自然產(chǎn)生的生物材料支架（如膠原蛋白）能經(jīng)化學修飾而授予合意的特性。但是，自然界仍然是最完美的材料工程師，而對可塑性的需求又鼓動人類材料工程師。生物相容性的合成材料正越來越多用作生物材料支架。自我組裝的多肽、有機多聚物、無機材料或混合的同聚物已用于制造人工的生物材料支架。最近在組織工程方面的文獻報道強調(diào)了控制生物材料幾何特性的重要性。為了出現(xiàn)合意的細胞分化，就必須存在具有促進細胞-基質(zhì)和細胞-細胞間幾何結(jié)構(gòu)形成的物理特性的基質(zhì)。從基質(zhì)傳導來的機械力的幾何分布影響細胞的形狀，甚至決定細胞是死還是活。顯然，這些現(xiàn)象與基質(zhì)蛋白本身的類型無關。
自然來源的材料
基于細胞的治療方法是治療許多疾病的另一種替代治療方法。在一些病例中，疾病對小分子藥物具有抵抗性。幾種自然來源的動物產(chǎn)物如基于膠原蛋白的生物支架，它們的衍生物和生物相容性同聚物已用于細胞吸附的支架。
但是，對所有動物來源的生物材料來說，一個潛在的問題是他們能攜帶危險的病原菌。傳播性海綿狀腦病(TSE)是能夠跨物種傳播的最令人擔心的病原菌[6]。伴隨脘病毒跨物種傳播到人類的脘病毒介導的海綿狀腦病的出現(xiàn)，更加重了這種擔心。盡管用極端的pH或溫度可以摧毀許多致病因子，但是脘病毒（TSE的病因）對化學或物理降解具有極端的抵抗力。因此，現(xiàn)在正在進行巨大的努力來加強動物來源產(chǎn)品的TSE檢驗及創(chuàng)造人工重組膠原蛋白。其他病毒也可能在動物來源的生物材料中作為病原體而攜帶。
合成的肽生物材料支架
所有合成的生物材料有一個優(yōu)點即它們能將攜帶生物源性的病原體或污染物的危險降低到最低程度。在控制藥物釋放、組織修復和組織工程等方面合成的生物材料存在一些吸引人的特性。最近發(fā)展的合成生物材料展示了體內(nèi)生物兼容性的可喜進步。合成生物材料的最大優(yōu)點是他們能被設計成符合特定的需要的東西。通過插入能促進細胞吸附的生物活性基序的例子表明了這樣設計的可塑性：（例如，細胞黏附基序精氨酸、甘氨酸和天門冬氨酸(RGD)是整合素即細胞黏附受體的配體）。在某些情況下，合成的生物材料由自然產(chǎn)生的諸如氨基酸等的小生物分子的多聚物組成。合成的生物材料的堿性單元表現(xiàn)出良好的生理兼容性和最小的細胞毒性，并且來自生物分子的生物材料的降解產(chǎn)物能插入至新合成的生物分子或在宿主體內(nèi)被代謝掉。其他合成的生物材料由體內(nèi)不存在的諸如陶瓷的物質(zhì)分子組成。這些材料（例如骨組織替代材料）展示出如高抗拉性等另人滿意的特性。
最近發(fā)現(xiàn)一類由自發(fā)自我組裝的寡肽組成的生物材料[9–11]。這些生物材料支架的成分是自我互補的兩性寡肽組成，它們有規(guī)則的重復單位：帶正電的氨基酸殘基（賴氨酸或精氨酸）和帶負電的氨基酸殘基（天冬氨酸或谷氨酸）被親水性殘基（丙氨酸或亮氨酸）分開。自我互補的兩性寡肽包含50%的帶電殘基，并且以交替的離子親水性和不帶電的憎水性氨基酸的周期重復為特征。這些例子包括RAD16-I（以單個字母代替氨基酸，其序列為AcN-RADARADARADARADA-CNH2）和RAD16-II（其序列為AcN-RARADADARARADADA-CNH2）。盡管RAD16-I 和 RAD16-II長度相同，氨基酸數(shù)目相同，但是RAD16-I有(RADA)n的空間模式（其中n代表重復數(shù)），而RAD16-II只有兩個(RARADADA)n的空間模式。圖1顯示了來自RAD16-II的有代表性的肉眼可見的基質(zhì)支架（摘自文獻10）。等浮力（在溶液中自由漂浮，既不下沉也不升至表面）的基質(zhì)支架能被編織成有相對粘稠的各種各樣的幾何形式，要么象帶子(Fig. 1a)，要么象線條(Fig. 1b)，要么成片狀(Fig. 1c)。肽和鹽濃度，連同處理儀器的維數(shù)，決定宏觀基質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)和維數(shù)。圓性二色性分光鏡顯示基于RAD, ELK, 和EAK的具有如前描述的典型周期性的肽鏈在水溶液中展示強的β片層二級結(jié)構(gòu)。其他幾個實驗室也描述了由具有β片層二級結(jié)構(gòu)的其他自我組裝的寡肽形成的生物材料。因此，按照這些簡單的氨基酸構(gòu)成和空間序列排列的規(guī)則形成的自我互補的兩性肽鏈戰(zhàn)時了兩個不同的極性和非極性表面。
RAD、 ELK 和 EAK 多肽的規(guī)則β片層二級結(jié)構(gòu)與基于蛋白螺旋參數(shù)的Chou-Fasman統(tǒng)計結(jié)果相反。谷氨酸、亮氨酸和賴氨酸在Chou-Fasman模型中均具有a-螺旋傾向。Hecht及其同事對此矛盾作出了完美的解釋[12]。在一個迷人的研究中，他們發(fā)現(xiàn)了決定二級結(jié)構(gòu)的局部和非局部的分子內(nèi)影響的競爭結(jié)果。采用自我組裝的合成蛋白的家族來檢測這些競爭的影響。決定二級結(jié)構(gòu)的局部影響包括氨基酸的內(nèi)在螺旋特性（正如Chou-Fasman模型預測的一樣）。非局部的影響是被在肽序列中的氨基酸的周期性和位置排列例證的--周期性和位置排列決定所有被測試的合成肽的二級結(jié)構(gòu)。因此，非局部效應超過局部效應。周期性和氨基酸的位置排列的相對優(yōu)勢說明已觀察到周期性交替兩性多肽的β片層結(jié)構(gòu)傾向，而不是預測的a螺旋結(jié)構(gòu)。值得注意的是局部和非局部對二級結(jié)構(gòu)的影響是分子內(nèi)的而不是分子間的。這個結(jié)果是采用CD證明相對濃度不依賴于EAK16-II的規(guī)則β片層結(jié)構(gòu)而獲得。更近一點的是，Broome 和 Hecht采用一個包含250 514個自然產(chǎn)生的蛋白序列的數(shù)據(jù)庫對包含周期性的交替極性和非極性氨基酸的序列作了統(tǒng)計搜索。他們發(fā)現(xiàn)交替極性和非極性氨基酸的序列在自然發(fā)生蛋白中相當稀少。他們的發(fā)現(xiàn)表明對由交替極性和非極性氨基酸的序列導致的嚴重的寡聚化傾向存在很強的選擇壓力。
有興趣地是，來自兩性多肽的生物材料基質(zhì)的形成高條件依賴性的。諸如RAD16 和EAK16的兩性多肽在無鹽的水溶液中溶解度是毫摩爾級。但是，當這種肽暴露在生理介質(zhì)或鹽溶液中時，兩性多肽形成水凝膠基質(zhì)。毫摩爾級的單價陽離子負責整齊基質(zhì)的形成。整齊的生物材料基質(zhì)是水濃度>99%的水凝膠。與在單價陽離子存在的情況下自發(fā)形成的整齊的生物材料基質(zhì)相反的是，毫摩爾級的二價陽離子用EAK16及其相關肽形成高度不規(guī)則的材料。這個鹽觸發(fā)的分子開關是如何工作的？其中一個解釋是鹽促進個體肽的觸發(fā)排列，而基質(zhì)的形成是臨近多肽的帶正負電的殘基的靜電相互作用的結(jié)果�？墒牵黾欲}濃度并不破壞基質(zhì)的穩(wěn)定性，這表明了一個替代機制。如果這些多肽是互補的，水溶液中的單體多肽可能折疊而形成分子內(nèi)的靜電相互作用。加鹽可能破壞分子內(nèi)的靜電相互作用，從而多肽采用一種構(gòu)成形式來迎合臨近多肽間的分子間的增水作用。
對這個模型的支持來自對肽鏈長度和脂肪族殘基的憎水性程度的研究。含丙氨酸的兩性肽鏈（如EAK16）至少需要16肽來形成鹽誘導的穩(wěn)定基質(zhì)。相反含亮氨酸的兩性肽鏈（如ELK8）由18肽形成鹽誘導的穩(wěn)定基質(zhì)。這些結(jié)構(gòu)表明增加脂肪族殘基的憎水性導致基質(zhì)的形成。第三個分級模型包括前兩個模型的特性。臨近多肽的帶電殘基間的分子間的靜電相互作用可能在分子間憎水性相互作用的形成后導致基質(zhì)的穩(wěn)定。RAD16多肽及它們的潛在的分子間的相互作用如圖2所示。這些基質(zhì)形成和穩(wěn)定的替代模型迄須實驗的直接證明。自我組裝材料也能從包含合成的氨基酸（自然產(chǎn)生的蛋白中不存在）的多肽組裝--這些分子被稱作多肽模擬物。處理條件（ pH、溫度和鹽濃度）能夠改變從而影響自我組裝的多肽模擬物的幾何構(gòu)象。
這些肽基質(zhì)對什么有效？基于RAD的兩性多肽的序列與細胞黏附受體整合素配體RGD有相似性。一些胞外基質(zhì)蛋白包含結(jié)合在整合素異構(gòu)體的RAD序列。第一個被測試的假想是細胞是否在整合素依賴模式的肽基質(zhì)上吸附和生長。細胞吸附在基于EAK和 RAD基質(zhì)上是整合素依賴模式，并且基于EAK和 RAD的基質(zhì)支持細胞吸附和生長。RAD序列能結(jié)合在某種細胞黏附受體的整合素上，而EAK卻不能。此外，高濃度的RGD肽對EAK和 RAD基質(zhì)的吸附和生長沒有作用，從而證明基于整合素的黏附對吸附于這些肽基質(zhì)的細胞吸附并不是必須。EAK和 RAD肽基質(zhì)支架支持各種哺乳動物和禽類原代和轉(zhuǎn)變的組織培養(yǎng)細胞的細胞吸附。
再近一些，已證明了在肽基質(zhì)支架上的原代和培養(yǎng)的神經(jīng)元細胞的吸附、分化、神經(jīng)絲的長出和功能性突觸的形成[10,11]。這樣充滿神經(jīng)元的基質(zhì)支架能夠在不同的環(huán)境間運輸。這對用于移植的神經(jīng)元/基質(zhì)的潛在應用是一個重要的問題。
神經(jīng)絲的長出需要神經(jīng)元吸附于允許的底層。一些胞外基質(zhì)蛋白如：層粘連蛋白、纖維連接蛋白和膠原蛋白，在原位影響神經(jīng)絲的長出[1]。這些胞外基質(zhì)蛋白包含特異的特別適合細胞吸附和神經(jīng)絲長出的基序[1,2]。要么與多聚物相連，要么單獨，胞外基質(zhì)分子和它們的黏附結(jié)構(gòu)域部分已用于包被表面（如玻璃和聚丙乙烯），如果不這樣包被，這些表面將對神經(jīng)絲的長出支持不良[2]。另外一些諸如多聚L賴氨酸和基質(zhì)膠也能為神經(jīng)絲的長出提供良好的支持。玻璃和塑料的幾種體外包被已用于檢測神經(jīng)元和單體蛋白材料的相互作用，也用于檢測它們對神經(jīng)絲的長出的作用[19]�？墒�，這樣的體外包被對諸如組織修復和組織工程的某些應用存在嚴重的局限性。一旦神經(jīng)元吸附于包被板，如果沒有插入諸如多聚體或玻璃的非生物材料它們就不能隨時被運輸至組織。包被基質(zhì)膠的蓋玻片上生長的神經(jīng)元展示了控制神經(jīng)絲的長出和功能性突觸聯(lián)系（圖3）。但是，培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元在等密度的RAD16生物材料支架基質(zhì)上能形成廣泛的神經(jīng)絲和功能性突觸聯(lián)系(Fig. 3b)。在RAD16生物材料基質(zhì)上長成的充滿神經(jīng)元的培養(yǎng)物能隨時從一種介質(zhì)轉(zhuǎn)移至另一種介質(zhì)中。因此，建立在組織培養(yǎng)中的神經(jīng)元/肽基質(zhì)培養(yǎng)物能用于移植。初步的體內(nèi)研究表明EAK16 和 RAD16基質(zhì)有良好的容忍性，正如將肽注射入肌肉和大腦及隨后的炎癥組織分析的研究所表明的一樣。
組織工程和修復
生物材料已廣泛用于組織工程。最近在生物材料和細胞相互作用的工作集中在空腔（膀胱）和骨組織工程的生物材料的物理特性和維度。組織工程在這兩方面的突破強調(diào)了模仿自然發(fā)生的細胞-細胞和細胞-生物材料支架相互作用的幾何構(gòu)象的生物材料的重要性。為建立新組織和理解掌管細胞分化成合適的新型組織的因子的可得到的前體細胞（如干細胞）的出現(xiàn)對新組織的成功構(gòu)建也是一個重要因子。最近有幾篇關于用于膀胱和骨/軟骨組織工程的生物材料的綜述[20,21]。
Atala及其同事出版了一本《力的旅游》的書，書中描述了他們成功地將一個組織工程的新膀胱移植入狗體內(nèi)[22]。一個新器官支架是用合成的混合多聚物的生物材料構(gòu)建的。生物材料支架是在自體尿道上皮和平滑肌供體細胞中種植出來的，而這些飼養(yǎng)細胞從宿主動物體內(nèi)收集、分散并擴大培養(yǎng)成尿道上皮和平滑肌細胞庫。用共聚物poly-DL-lactideco- glycolide (PLGA)包被的可生物降解的多聚羥基乙酸(PGA)用來構(gòu)建新膀胱支架。選擇這些合成的生物材料是基于它們的生物兼容性和機械特性。PGA 和 PLGA共聚物已比肽生物材料研究得更廣泛，而且編織結(jié)構(gòu)的良好處理方法也已得到發(fā)展。 細胞種植的新器官移植給亞全去膀胱的狗（即保留部分膀胱的狗）。對照組包括無移植物的和移植沒有在細胞中飼養(yǎng)的新膀胱支架的亞全去膀胱的狗。接受在細胞中種植的新膀胱的狗具有正常的留尿功能、膀胱尿動力依從性和移植后長達11個月的組織構(gòu)造性。這些狗似乎完全恢復，但是，對照組沒有表現(xiàn)這些指征中的任何一個的完全恢復。
骨組織工程的需要不同于空腔器官替代所需的.但是，有幾篇令人振奮的論文表明骨組織工程與前面的例子有相同的主要元素.其中一個相同點是為保持與天生組織相同的細胞-細胞幾何結(jié)構(gòu)的生物材料支架的重要性。3維的細胞-細胞間相互作用和細胞濃度對導致骨組織的形成成熟的正確細胞分化特別重要。另一個主要元素是小心選擇和處理用來飼養(yǎng)生物材料支架的前體細胞。軟骨再生是另一個對組織工程和生物材料研究的有希望的目標。軟骨組織治療效果差是因為它大部分沒有血管。滋養(yǎng)在生物材料支架上的軟骨細胞的移植對軟骨再生有巨大的前景[25]。另一個對生物材料支架設計和組織工程的考慮包括應用自身供體細胞以防止組織排斥。
對由再生能力較弱的細胞組成的組織來說，組織工程溶液可能更難獲得。另外，特別的細胞功能，例如軸突再生和對的神經(jīng)元形成新的功能性聯(lián)系，特別在成體動物體內(nèi)可能受到損害—這些問題是與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)修復有關�？墒�，最近的結(jié)果表明弱的再生能力與抗生長和抗吸附的信號有關，這些信號要么來自基質(zhì)（如軟骨素硫酸蛋白糖和某些膠原蛋白），要么來自CNS的髓磷脂成分[3]。這些令人鼓舞的結(jié)果表明CNS軸突的弱再生能力并不是神經(jīng)元本身所固有的。因此，這些由人造生物材料基質(zhì)支架所允許的負面信號的掩蓋可能克服這些功能性缺陷。
設計更好的人工肽生物材料支架
最近在組織工程的各個方面的研究強調(diào)了協(xié)助正確的細胞分化的生物材料支架的幾何和物理性質(zhì)的重要性[22–24]。如果能如同控制非肽生物材料（如PGA 和/或 PLGA 共聚物[2]）一樣成功控制肽生物材料的編織，那將是令人滿意的。未來在合成的生物材料支架的工作將注重具有更復雜的材料幾何構(gòu)象和諸如更強的抗拉能力的生物材料的設計。將生物活性基序插入肽生物材料中將刺激編織這些材料成良好結(jié)構(gòu)的處理過程的發(fā)展。
在自我組裝肽支架過程中，有可能限制多肽自我組裝成2D結(jié)構(gòu)[26]。這種方法可與半胱氨酸末端修飾的RAD寡肽和以前發(fā)展的微接觸印刷術聯(lián)合使用[27]。網(wǎng)格表示半胱氨酸末端修飾的RAD寡肽或乙烯乙二醇硫醇鹽的交替形式（見圖4）。通過他們各自的SH基團這些分子將與金單層表面形成共價連接。細胞與網(wǎng)格的RAD肽包被區(qū)牢固結(jié)合，但與乙二醇硫醇鹽包被的表面結(jié)合不牢（見圖5）。令人感興趣的是這些方法是否能用于翻譯更復雜的自我組裝肽的3D幾何構(gòu)象。
插入合成生物材料支架的細胞吸附基序（如RGD基序）的特定形式將是另一種控制吸附于支架的不同類型細胞的分組，從而模仿組織。最終目的是合成影響細胞黏附、分化和特定類型的細胞遷移而產(chǎn)生人造組織的生物材料支架。蛋白-蛋白相互作用的基序，而不是細胞吸附基序，也可能應用于合成的生物材料支架。例如，正如蛋白的嵌合插入一樣，富含脯氨酸結(jié)合在同系序列3(SH3)結(jié)構(gòu)域的配體授予(SH3)結(jié)構(gòu)域與被修飾蛋白的相互作用[28]。更好的合成生物材料支架設計的未來目標包括構(gòu)建包含能導致生物材料更強的抗拉能力的無機分子或金屬結(jié)合基團的混合材料。材料設計者能從自然獲得靈感。具有高抗拉能力和硬度的自然材料鮑魚殼是一種有機和無機材料的混合物[29]。生物礦物化的支架對骨修復和其他硬組織修復來說是物理基礎。源著這條線，Hecht及其同事構(gòu)建了來自組合肽文庫的自我組裝單層[30]。這個文庫中的肽是因其具有能折疊成6鏈兩性β片層的特性而入選的。這些兩性肽的單層自我組裝發(fā)生在空氣-水的交界面。這些另人興奮的結(jié)果表明了構(gòu)建由有機蛋白和無機礦物質(zhì)片組成的片狀生物材料的可能性。
結(jié)論
本文描述的新肽生物材料支架是生物學靈感的合成材料。正在涌現(xiàn)的技術包括細胞治療的新支架、組織工程和硬組織修復的生物礦物化。一些最具前景的方法是將新生物材料與干細胞技術結(jié)合。這些具有生物兼容性和生物可降解性的新肽生物材料支架可能在新醫(yī)藥方面具有廣泛的應用前景。