多肽小分子水凝胶在生物医学领域的应用

发布时间：2019-07-21 14:33

【摘要】：通过非共价键自组装形成的多肽水凝胶由于其独特的优点:合成简单,容易功能化且功能单元明确,生物相容性好,低免疫原性和低毒性,固有的生物降解性以及对外界环境的快速刺激响应性等,经过近二十年的发展,多肽水凝胶已经在细胞三维培养,细胞治疗,药物控释,疾病诊断和治疗,增强机体免疫和再生医学等方面展示了很大的应用前景。并且有些短肽水凝胶在近几年已经逐步商品化。虽然多种多样的水凝胶被设计合成,但是其实际应用尤其是在生物医学的应用刚刚处于起步阶段。在本论文,我们把多肽水凝胶与癌症治疗结合起来,旨在发展针对化疗药物,细胞治疗以及免疫治疗(抗体蛋白)的新型水凝胶载体系统。本论文的主要内容可以分为如下四个部分:1:我们设计合成几种基于抗癌药物紫杉醇和短肽/氨基酸的小分子水凝胶,其合成简单易行并且形成的水凝胶有很高的包载率。通过控制氨基酸的种类以及多肽链的长度等可以精确控制药物的包载率。我们发现即使紫杉醇连接上一个单独的亲水氨基酸,形成的分子也能形成非常稳定的水凝胶,并且具有和紫杉醇相同的药效。同时我们发展了一种主要由紫杉醇自己所组成的水凝胶,动物实验证实该水凝胶能直接注射进实体瘤阻止肿瘤的生长和迁移。血液中低浓度的紫杉醇和高的抗癌活性表明我们的紫杉醇水凝胶在化疗中有很大的应用前景。这种药物既作为载体又作为运载货物的自我传输体系有很大的希望应用于临床。2:我们设计一种新型靶向细胞线粒体的自组装短肽分子,提出细胞器成胶杀死癌细胞的新策略。我们利用癌症细胞微环境与正常细胞微环境的不同:癌细胞过量表达某些酶,以及癌细胞的还原环境等,实现该分子在癌症细胞内可以组装形成纳米纤维,从而控制癌细胞的命运,但是对正常细胞没有杀伤作用。更为重要的是,靶向线粒体基团的加入,可以利用线粒体周围粘性比正常细胞高的特点,大大降低了自组装分子的最低成胶浓度,实现在线粒体成胶,极大的降低了化合物使用量。3:利用细胞膜表面的特性,我们发现含有D构型氨基酸的自组装多肽分子可以特异性富集在细胞膜表面,而由L构型氨基酸组成的自组装分子没有这种现象。同时我们证明利用这种性质可以对细胞膜进行表面工程化,在细胞膜上面引入特定的多肽,蛋白等功能性分子。这种对细胞膜表面工程化的新策略可以很方便的应用在细胞治疗领域;我们接着根据蛋白质多肽特异结合的性质,设计一种蛋白质表面诱导的自组装体系,并且成功把远红外/近红外的环境响应型荧光分子引入到该体系中,实现了体外和体内检测蛋白和多肽相互作用。这种蛋白表面诱导自组装促使荧光分子变亮的策略在检测(多聚)蛋白或者(多聚)蛋白-多肽之间的相互作用中,例如,阿兹海默症和朊病毒疾病等方面将会有很大的应用前景。4:我们提出一种通用的用来制备由多肽与一种或者多种蛋白共组装形成的纳米纤维水凝胶的方法。我们证明这种策略不仅在体外可以很好地保持蛋白质的稳定性和生物活性,而且实验证明它可以有效的细胞内转染蛋白和体外增强酶的级联反应。另一方面,我们发现多肽与蛋白质共组装形成的纳米纤维水凝胶能很强的增加动物免疫效应,它能同时激活体液免液和细胞免疫应答。进一步实验我们发现共组装的纳米纤维水凝胶可以通过增加DC细胞对蛋白质摄取,对DC细胞活化以及促进生发中心形成等促进疫苗的产生。我们的设计对于蛋白质的传输,活性蛋白体内功能和稳定性的维持以及作为疫苗佐剂等方面提供了一种新策略,同时也拓展了小分子水凝胶在生物医学领域的应用。
【图文】：

分子自子自组、细胞、信息然界复具备各分子、相互作稳定、观纳米级别的止，自的研究自组装组装是自然界胞膜、蛋白质息化和功能化复杂体系形成各类特殊功能纳米粒子或作用、氢键具有一定规米级和介观微的有序自组装组装材料已究与实际应用界的一个普质甚至于人化的复杂结成的过程、能的复杂组或者是它们键作用、π-规则几何外微米级的各装结构再进已经在药物用[2-14]。普遍现象[1]。人的身体都可结构。因此，更好的模拟组装体系。自们的结合。这π堆叠作用外形的有序结各类层状结构进一步形成宏物控释、高性许多生物可以看作是，，对分子自拟大自然，自组装的最这些基本单用、疏水作结构。通常构、球形结宏观级别的性能分离、物大分子如是由自组装而自组装的深入从而由单个最基本单元包单元通过非共作用、范德华常而言，有序结构、管状结的介孔材料、组织工程等DNA而形成入研究个分子包括各共价键华力等序结构结构等、水凝等领域

在各类自组装体系中，有一类较为新颖的自组装材料—凝胶。什么是凝胶？就像 80 年前科学家 Jordon Lloyd 所述“if it looks like a gel it must be a gel”[15]，如果看起来像凝胶那么它就是凝胶。环顾我们周围，从日常生活中使用的发胶，隐形眼镜，牙膏等到龟苓膏，果冻等，这些都是凝胶。凝胶由两部分组成，凝胶因子和溶剂。根据凝胶组成部分溶剂的不同可以分为有机凝胶和水凝胶，另外还有干凝胶和气凝胶[16-18]。水凝胶由于其组成部分 99%以上都是水分子，只有 1%左右为成胶因子（能形成水凝胶的分子）并且其组成三维网状结构类似于人体组织，因此它在生物医学等领域得到了很广泛的应用[19]。这些水凝胶可以分为化学交联水凝胶和物理交联水凝胶（图 1.2）。化学交联水凝胶其内部结构为共价键组成[20]，物理交联水凝胶的特征为其内部处于化学键组合和断裂的平衡状态，是由非共价键为主要作用力[21]。物理交联水凝胶的成胶因子可以是无机物或者有机物，当成胶因子为有机物时，通常情况下把分子量小于 2000 的成胶因子组成的水凝胶称为小分子水凝胶（LMWG）[22, 23]。
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08


本文编号：2517246