含DOPA多肽双响应水凝胶体系的构建及在细胞培养中的应用

Although peptide hydrogels have shown great potential in different biological fields, several problems still exist, such as the weak mechanical properties and the single regulation methods. DOPA constitutes a major part of the mussel attachment plaque proteins was found to have multi-response to external conditions, including its very strong metal coordination capability, oxidation, and also enzymatic reactions. In this proposal, we will design short peptide amphiphiles with multi-responsive DOPA moieties and take its multi-responsive property of DOPA to construct bi-responsive system by combining the pH-responsive property of amino acids. The effects of different bi-responsive conditions on the aggregates morphologies and the properties of the solution especially the mechanical properties of the hydrogel will be investigated thoroughly. Then, the hydrogel will be used as scaffolds for 2D and 3D cell culture, the effects of the mechanical strength on the cell growth and differentiation will be investigated thoroughly. Finally, the non-specific immunogenic responses induced by these gels will be evaluated. We expect that such investigations can provide new self-assembling units for peptide self-assembly and develop simple and effective methods for the preparation of hydrogels with great mechanical strength, which can lay a foundation for their application in biological fields.

肽水凝胶材料在生物领域展现出良好的应用前景，但存在机械性能差、构筑调控方式单一等问题。多巴（DOPA）广泛存在于海虹的粘附蛋白中，具有良好的生物相容性和多重响应性。本项目拟将DOPA残基引入多肽分子，利用其配位作用、氧化作用和酶响应性与氨基酸残基的pH响应性结合，构建双响应体系，协同调控水凝胶的机械性能。研究将系统考察调控前后组装体形貌和溶液性质，特别是凝胶强度的变化。将构筑的水凝胶作为支架材料用于细胞的二维和三维培养，考察其机械性能对细胞生长和分化的影响，并评价其免疫反应。项目的开展可为多肽自组装研究提供新基元，将发展构筑机械性能良好的肽水凝胶材料的新方法，促进其在生物领域的应用。

由于良好的生物相容性和可调控性，多肽自组装材料在生物领域展现出良好的应用前景，但由于不同非共价键力的复杂性，多肽组装体的形貌和性质的定向调控一直是多肽自组装领域的难题。多巴（DOPA）广泛存在于海虹的粘附蛋白中，具有良好的生物相容性和多重响应性。本项目基于Bola型多肽，通过合理的分子设计，详细考察了亲/疏水氨基酸残基和端基等对多肽自组装行为的影响。发现了通过亲水氨基酸残基和端基的改变能够有效调控组装体的高度，而通过改变疏水氨基酸残基的疏水性和β-分支则可有效调控组装体的宽度。研究工作的开展发展了定向调控组装体尺寸和性质的简便有效方法。在此基础上，将DOPA残基引入多肽分子，系统考察了含DOPA残基多肽的自组装行为，发现DOPA中羟基的存在能够促进组装体的宽度生长。同时，DOPA残基的引入带给了体系独特的自组装性质，具有Bola结构的KI3DOPAK能够形成尺寸较细的纳米管，纳米管的形成展示出明显的动态组装过程。通过对组装过程的系统跟踪，发现纳米管的形成经历了从twist带到helical带再到纳米管的转变过程，为认识多肽纳米管形成的动态过程提供了重要思路。研究还考察了含DOPA多肽与铁离子和酪氨酸酶的作用情况，发现通过改变混合方式和引入酪氨酸酶均可促进凝胶的形成，通过改变酪氨酸酶和金属离子的浓度可有效调控凝胶的强度。本项目研究工作的开展揭示了系列Bola型多肽的自组装机制，阐明了DOPA残基的引入对多肽自组装行为和组装动力学过程的影响，为认识此类肽的自组装机制提供了依据。通过考察Fe3+和酪氨酸酶对含DOPA多肽自组装行为的影响，明确了混合条件和溶液条件对响应效果的影响，为进一步开发其应用奠定了基础。该项目的开展为多肽自组装研究了提供新基元，发展了定向调控组装体尺寸和性质的方法，为实现含DOPA多肽在生物领域的应用奠定了基础。