自组装短肽水凝胶与骨组织构建

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1446

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (34): 5531-5537.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1446

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自组装短肽水凝胶与骨组织构建

熊娜，刘燕飞，卫巍

遵义医科大学附属医院贵州省细胞工程重点实验室，贵州省遵义市 563003

收稿日期:2019-05-30 出版日期:2019-12-08 发布日期:2019-12-08
通讯作者: 刘燕飞，博士，副研究员，硕士生导师，遵义医科大学附属医院贵州省细胞工程重点实验室，贵州省遵义市 563003
作者简介:熊娜，女，湖北省襄阳市人，汉族，遵义医科大学在读硕士，主要从事自组装短肽特性及组织工程方向的研究。
基金资助:
贵州省卫计委资助项目(Gzwjkj2017-1-036)，项目负责人：刘燕飞；贵州省教育厅自然科学研究项目(黔教合KY字[2015]418)，项目负责人：刘燕飞

Self-assembling peptide hydrogels and bone tissue construction

Xiong Na, Liu Yanfei, Wei Wei

Key Laboratory of Cell Engineering in Guizhou Province, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563003, Guizhou Province, China

Received:2019-05-30 Online:2019-12-08 Published:2019-12-08
Contact: Liu Yanfei, PhD, Associate researcher, Master’s supervisor, Key Laboratory of Cell Engineering in Guizhou Province, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563003, Guizhou Province, China
About author:Xiong Na, Master candidate, Key Laboratory of Cell Engineering in Guizhou Province, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563003, Guizhou Province, China
Supported by:
Project of the Health and Family Planning Commission of Guizhou Province, No. Gzwjkj2017-1-036 (to LYF); the Natural Science Research Project of Education Department of Guizhou Province, No. Qianjiaohe-KY[2015]418 (to LYF)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

自组装短肽水凝胶：由相互交替的亲水性和疏水性氨基酸序列组成，在一定条件(离子浓度、温度、pH 值等)刺激下能够自发且有规律地通过非共价键作用形成稳定的β折叠结构，再进一步堆叠为纳米纤维，纳米纤维形成交织基质，最终形成含水量超过99%的水凝胶支架。

骨组织工程：由种子细胞、支架材料和细胞因子3个主要元素组成，是指将分离的自体高浓度成骨细胞、间充质干细胞或其他种子细胞，经体外培养扩增后种植于一种天然或人工合成的支架上，该支架具备良好的生物相容性和机械强度，可为细胞提供生存的三维空间，并且不诱发机体的不良反应；然后将包裹种子细胞的材料植入骨缺损部位，随着生物材料逐步降解，细胞不断增殖分化形成新组织，从而达到修复骨组织缺损的目的。

背景：与传统生物材料相比，自组装短肽水凝胶具有良好的生物相容性、低免疫原性、高含水量及降解产物可被机体重吸收利用等优点，在细胞三维培养、药物/蛋白缓释和组织工程等方面有广泛的应用。

目的：简述自组装短肽水凝胶在骨组织工程中的研究进展。

方法：应用计算机检索中国生物医学文献数据库、CNKI 数据库、PubMed 数据库及 Elsevier 数据库中2000至2019年发表的相关文献，中文检索关键词为“自组装短肽，水凝胶，骨缺损，成骨细胞，骨组织工程，生物材料”，英文检索关键词为“self-assembling peptides，hydrogels，bone defect，osteoblasts，bone tissue engineering，biomaterials”。

结果与结论：自组装短肽水凝胶的结构类似于天然细胞外基质，具有可编程、成本低、生物相容性良好、降解产物无毒性等优点，能够增强间充质干细胞和小鼠胚胎成骨细胞前体细胞MC3T3-E1及其他种子细胞的增殖和成骨分化，促进骨组织愈合与再生，可作为骨组织工程中的支架材料参与骨缺损的修复。但自组装短肽水凝胶低pH值有损伤细胞的可能，因此需设计出不同的生物活性序列对短肽进行改造，从而提高其生物活性、生物相容性和生物稳定性。

ORCID: 0000-0001-6127-1953(熊娜)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 自组装短肽, 水凝胶, 骨缺损, 成骨细胞, 干细胞, 骨组织工程, 生物材料, 生物相容性

Abstract:

BACKGROUND: Compared with traditional biomaterials, self-assembling peptide hydrogels have been widely used in three-dimensional cell culture, drug/protein release, tissue engineering, hemostasis and antibacterial agents because of its good biocompatibility, low immunogenicity, high water content, and the degradation product amino acids that can be absorbed and utilized by organism.

OBJECTIVE: To summarize the research progress of self-assembling peptide hydrogel in bone tissue engineering.

METHODS: A computer-based search of CBM, CNKI, PubMed and Elsevier was performed for retrieving articles concerning self-assembling peptide hydrogels in bone tissue engineering published from 2000 to 2019. The search terms were “self-assembling peptides, hydrogels, bone defect, osteoblasts, bone tissue engineering, biomaterials” in Chinese and English, respectively.

RESULTS AND CONCLUSION: Self-assembling peptide hydrogels have the structure similar to the natural extracellular matrix. The structure has the advantages of being programmable, low cost, good biocompatibility, and nontoxic degradation products. It can enhance the proliferation and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells and mouse embryonic osteoblast precursor cells (MC3T3-E1) as well as other seed cells and promote bone healing and regeneration. Therefore, self-assembling peptide hydrogels can be used as scaffold materials in bone tissue engineering to participate in the repair of bone defects. However, the low pH of self-assembling peptide hydrogels may damage cells, so different biologically active sequences should be designed to modify the peptide to enhance its biological activity, biocompatibility, and biostability.

Key words: self-assembling peptides, hydrogels, bone defect, osteoblasts, stem cells, bone tissue engineering, biomaterial, biocompatibility

中图分类号:

熊娜, 刘燕飞, 卫巍. 自组装短肽水凝胶与骨组织构建[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(34): 5531-5537.

Xiong Na, Liu Yanfei, Wei Wei . Self-assembling peptide hydrogels and bone tissue construction[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(34): 5531-5537.

图/表（结果） 2

2.1 RADA16支架材料

2.1.1 RADA16的特性自组装短肽最初由Zhang等^[14]在zuotin蛋白中发现，研究表明当短肽暴露于生理介质或盐溶液中时会自发通过非共价作用力(疏水作用、氢键、静电作用、范德华力等)形成二级结构，其中β-折叠结构是最常见且应用最广泛的二级结构。由Yokoi等^[15]设计的RADA16-I在自组装短肽中最具代表性，RADA16([COCH₃]-RADARADARADARADA-[CONH₂])由16个天然L-氨基酸残基(天冬氨酸残基、精氨酸残基和丙氨酸残基)相互交替排列组成^[16]，天冬氨酸残基与精氨酸残基之间的静电作用力和精氨酸残基的疏水作用力使其堆叠形成直径为8-10 nm、孔径为5-200 nm的纳米纤维，随后聚合形成含水量超过99%的水凝胶支架。

经β折叠形成的自组装短肽水凝胶支架能够为细胞的黏附、增殖和分化提供稳定的三维环境，并且拥有表面积大、含水量高和组织相容性良好等优势，近年来这类短肽水凝胶被广泛用于生物医学领域，如组织工程、药物缓释、止血和伤口愈合等^[17]。其中RADA16已被批准作为商业产品PuraMatrix(PM)应用于实验室和临床研究工作，是目前组织工程应用广泛的一类新兴材料。在骨组织工程领域内，自组装短肽水凝胶对间充质干细胞和小鼠胚胎成骨细胞前体细胞MC3T3-E1及其他种子细胞的黏附、增殖、成骨分化有显著增强作用，表明这类支架材料对种子细胞增殖和成骨分化的促进作用，为自组装短肽应用于修复骨缺损提供了理论依据和实验基础。

2.1.2 RADA16在骨组织工程中的应用张锋等^[18]研究显示，MC3T3-E1细胞在RADA16表面生长一段时间后碱性磷酸酶、骨钙素和钙化结节表达含量增加，并且实时荧光定量PCR检测到成骨分化相关基因Runx-2、OSX、AKP-2和骨钙素的高表达并随着培养时间的增长而增多，其中Runx2与OSX不仅影响成骨细胞的分化，而且也调节成骨细胞的功能。总而言之，RADA16水凝胶支架能够促进MC3T3-E1细胞的黏附、伸展和增殖，增强成骨分化和功能表达，且水凝胶可形成任意的形态并具备良好的生物相容性。Chen等^[19]设计了全由D型-氨基酸构成的D-RADA16肽水凝胶，圆二色光谱显示D-RADA16采用典型的β折叠结构，并且和L-RADA16是对映体。β折叠结构具有纳米纤维形成的能力并为细胞骨架提供支持，因此是非常必需的^[20]。将SD大鼠骨髓间充质干细胞在1.25-10 g/L质量浓度的支架上培养，检测骨髓间充质干细胞的增殖速率，结果表明与1.25，2.5 g/L相比，5.0，10.0 g/L的肽溶液能够促进细胞增殖，推测其可能原因是在低浓度的肽溶液中没有足够数量的纳米纤维形成3D环境，因此它与传统2D培养相似，不能模拟细胞生长的细胞外环境。虽然在目前的实验条件下D-RADA16支架在体外不能促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，但能够提高细胞的迁移。另外最重要的是与L-RADA16支架相比，D-RADA16支架对蛋白酶K表现出更高的蛋白水解抗性。这些观察结果表明D-RADA16水凝胶支架具有优异的生物活性、生物相容性和生物稳定性，有希望作为体内长期应用的候选者。

在新西兰兔髂骨缺损模型中，Wu等^[21]研究表明RADA16-I有修复骨缺损和快速止血的能力，当用RADA16-I治疗时，髂骨缺损的边缘变得模糊，缺损处充满成骨细胞、类骨质和新形成的骨基质，缺损面积逐渐减少，且RADA16-I治疗组中未见炎症细胞的浸润；而骨蜡处理组没有明显的骨再生，仍可见缺损并出现中度炎症反应。Hayashi等^[22]将PuraMatrix水凝胶携带的人诱导多能干细胞移植到大鼠颅骨缺损中，结果观察到骨缺损的侧缘处形成均匀的骨，在缺损区域可见纤维组织，包括成骨细胞和一些新的骨组织，再生骨周围有许多毛细血管形成；并发现水凝胶能够促进血管内皮细胞的浸入，可有效解决骨组织工程中的血液供应这一主要问题，但免疫排斥仍是移植人诱导多能干细胞亟待解决的重要问题。Tcacencu等^[23]将接种到自组装肽水凝胶上的人间充质干细胞与胶原海绵联合植入大鼠右下颌骨缺损中，观察到牙槽骨的骨体积密度明显升高，第一磨牙牙根周围骨组织中的破骨细胞数显著减少，而且没有产生局部炎症反应和肿瘤样物质。

2.1.3 RADA16联合细胞因子在骨组织工程中的应用细胞因子参与构成组织工程，并能够促进种子细胞的发育、生长、增殖和分化，自组装短肽水凝胶联合细胞因子能够为细胞生长提供适宜的微环境^[10]。在SD大鼠股骨髁缺损的模型上，He等^[24]收获了SD大鼠股骨髁，与PBS处理组相比其骨形态变化表明，L-RADA16肽水凝胶、D-RADA16肽水凝胶和包裹碱性成纤维细胞生长因子的D-RADA16肽水凝胶的3个实验组在8周时均发现了明显的新生骨组织形成，见图2。其中D-RADA16水凝胶在储存和释放碱性成纤维细胞生长因子方面显示出一定的潜力，Micro-CT分析表明碱性成纤维细胞生长因子能够进一步促进骨再生。除碱性成纤维细胞生长因子外，骨形态发生蛋白2是骨组织工程中考虑最多的另一种细胞因子，其能够刺激成骨细胞募集、新骨形成和血管生成^[25]。Phipps等^[26]以RADA16为载体在股骨头坏死的仔猪模型中局部输注骨形态发生蛋白2，结果表明RADA16在输注到股骨头后从溶液转变为凝胶状，有效防止了骨形态发生蛋白2的回流，并可避免在髋关节囊内产生异位骨化。从RADA16释放的骨形态发生蛋白2仍具有良好的生物活性，能诱导猪原代骨髓基质细胞中SMAD1/5/8的磷酸化，并且浓度为0.25%和0.75%的RADA16能最佳地控制体外骨形态发生蛋白2的释放并刺激骨髓间充质干细胞的生长。Ikeno等^[27]在家兔颅骨模型中使用具有重组人骨形态发生蛋白2的自组装肽水凝胶支架对骨再生进行组织学评价，8周后证明与重组人骨形态发生蛋白2联合RADA16-I组的再生组织面积明显增加。

2.2 RADA16衍生支架材料经典RADA16虽有良好的成胶性，但其具有非常低的pH值(3.0-4.0)，有损伤包裹细胞和宿主组织的潜在可能^[28]。因此设计出生物素、蛋白序列和细胞外基质模拟序列等功能基团，并将其与RADA16中的C或者N末端进行共价结合，进一步设计出具备更高生物活性、更高机械强度的材料。

Chen等^[29]将功能基序RGD连接在RADA16水凝胶上形成RADA16-RGD，该支架可自组装成交织的纳米纤维结构。研究表明RADA16-RGD和RADA16混合形成的材料，能够促进MC3T3-E1细胞的黏附、扩散、增殖和成骨分化。He等^[30]将RGD结合在D-RADA16上形成D-RADA16-RGD，D-RADA16-RGD肽溶液能够自组装成耐用的水凝胶膜；在雌性SD大鼠股骨髁骨缺损模型中，Micro-CT的2D重建和量化分析(即骨体积分数、骨密度和骨小梁厚度)及组织学研究表明，D-RADA16-RGD肽水凝胶能够明显提高骨愈合促进骨再生。

Horii等^[31]选择成骨生长肽衍生基序(ALK：ALKRQGRTLYGF)、骨桥蛋白细胞粘附基序(DGR：DGRGDSVAYG)和生物模拟设计的双单位RGD结合序列(PRG：PRGDSGYRGDS)3个肽基序，将其连接在RADA16的羧基末端，其中成骨生长肽(OGP)能够刺激成骨细胞的增殖和分化，提高碱性磷酸酶的活性^[32]；骨桥蛋白具有调节细胞黏附、迁移、存活、NF-κB活性、NO合成和钙晶体形成的功能；细胞黏附基序(DGRGDSVAYG)含有RGD序列，可显著改善体内和体外的骨形成。研究证实这类功能化肽支架可有效促进骨细胞增殖和MC3T3-E1细胞的成骨分化。相较于ALK和DGR支架，PRG支架中的细胞产生更高浓度的骨钙蛋白和更高活性的碱性磷酸酶，更高浓度的PRG能够刺激细胞迁移到3D肽纳米纤维支架中，这为新型支架材料与种子细胞结合更好地应用于骨组织工程提供了一种新的解决方案。

赵刚等^[33]将多肽短链NBD结合于自组装短肽RADA16上获得新型功自组装多肽NBD/RADA16，分别在RADA16水凝胶和NBD/RADA16水凝胶中培养MC3T3-E1 细胞，观察到MC3T3-E1细胞在新型水凝胶上快速生长，状态良好，胞浆透明，无代谢产物堆积；碱性磷酸酶活性增加并随时间的增长表现出递增趋势；并有更为明显的钙沉积表达。在NBD/RADA16水凝胶中MC3T3-E1细胞的骨形态发生蛋白2表达水平升高，为骨髓间充质干细胞和MC3T3-E1细胞的趋向、聚集、分化提供了良好的化学刺激和微环境。

Tao等^[34]研究在RADA16-I的C末端分别连接功能序列KPSS、SNVI和KAIS以形成自组装多肽RAD/KPS、RAD/SNV和RAD/KAI，结果发现在促进人髓核细胞增殖、迁移及表达细胞外基质成分方面，RAD/KPS较RAD/SNV和RAD/KAI有明显的优势。其中短肽KPSS、SNVI、KAIS是骨形态发生蛋白7的3个功能活性片段，骨形态发生蛋白7可以增加体外成骨细胞如细胞中Ⅱ型胶原蛋白和骨钙蛋白的产生，改善骨髓间充质干细胞形成矿化骨结节，同时对髓核细胞分泌蛋白多糖有一定的促进作用。由于RADA16-I直接与KPSS序列形成的多肽RKPS成胶性能较差，因此刘龙刚等^[35]将RKPS与RADA16-I等体积混合形成混合支架材料RADKPS。RADKPS可很好地交织成直径为10-40 nm、孔径在5-200 nm之间并含有大于99%水的3D纳米纤维网络，可通过微创方式注入髓核组织。生长在RADKPS上的骨髓间充质干细胞细胞呈长梭形、漩涡样生长，细胞增殖能力随多肽溶液浓度增加呈递增趋势；不同浓度 RADKPS溶液相对溶血率均<5%，完全符合医用材料对溶血实验的要求；评价植入小鼠皮下的支架观察局部炎性反应及降解速度，组织学结果显示在 14 d 内以少量中性粒细胞浸润为主，28 d 时以成纤维细胞浸润为主。成纤维细胞分泌大量胶原纤维，已逐步取代原支架结构，表明支架的降解速率与新骨生成的速率相一致且降解产物对机体无毒害。综上，修饰有骨形态发生蛋白7功能片段的RADKPS水凝胶具有良好的细胞相容性、血液相容性及组织相容性，为进一步动物实验验证其具有修复椎间盘的作用和治疗骨缺损奠定了实验基础。

Osteostatin(TRSAW)是甲状旁腺类激素相关蛋白(PTHrP)的C端结构域。Osteostatin能通过介导甲状旁腺激素/甲状旁腺类激素相关蛋白受体非相关性受体，在体外促进成骨前体细胞分化和生长。陈贝克等^[36]将Osteostatin与RADA16-I的C末端相连形成新型多肽RADA16/TRSAW，结果表明RADA16/TRSAW仅能形成半凝胶状态，原子力显微镜下多肽呈粗细不均匀的斑片状纤维，可能原因为功能化的多肽序列影响β折叠。将RADA16/TRSAW与RADA16-I等体积混合为TRSAWmx水凝胶，发现TRSAWmx具备良好的成胶性和自组装性，并且可明显提高MC3T3-E1细胞的碱性磷酸酶、骨钙蛋白和血管内皮生长因子基因表达量。

作为同种异体骨移植物的脱矿骨基质，有充足的来源但缺乏骨诱导性。因此，Li等^[37]用脱矿骨基质联合自组装短肽RADA16-I形成复合支架SAP/脱矿骨基质，在山羊股骨缺损中观察到骨髓间充质干细胞在复合支架中碱性磷酸酶、骨钙蛋白和Runx2基因的表达均高于脱矿骨基质组。该材料对骨髓间充质干细胞成骨分化的促进作用，可为骨缺损提供更有效的成骨再生策略。Hou等^[38]研究证实在RADA16-I的末端连接脱矿骨基质形成的复合支架SAP/脱矿骨基质平均孔径减至20.22 μm，而脱矿骨基质支架平均孔径为396.24 μm。X射线光电子能谱分析和环境扫描电子显微镜显示自组装短肽可改变脱矿骨基质支架的表面和内部微结构，而复合支架对细胞的富集产量也因孔径的减少而得到提高。此外，SAP/脱矿骨基质支架可明显增加富集细胞中有核细胞的比率，同时支架中的RADA16-I可提供更多的细胞黏附位点。在无胸腺小鼠模型中植入双侧髂骨骨膜后，与脱矿骨基质治疗组相比，SAP/脱矿骨基质复合支架组可形成更多的新生骨，并检测到骨形态发生蛋白6、血小板衍生生长因子BB、血管内皮生长因子和表皮生长因子浓度增加，而脱矿骨基质支架只对表皮生长因子有富集作用。总之，SAP/脱矿骨基质复合支架可通过调控种子细胞的微环境，为种子细胞的增殖分化提供良好的三维环境。

2.3 其他新型自组装短肽支架材料随着经典RADA16水凝胶在骨组织工程中的应用被不断开发，新型离子互补自组装短肽材料也被相继研发。Wan等^[39]设计的离子互补短肽FEFEFKFK在溶液中也能够自组装成β折叠纳米纤维，并最终形成水凝胶。包裹在FEFEFKFK水凝胶内的牛关节软骨细胞可增殖并产生软骨细胞外基质的组分Ⅱ型胶原，用以治疗退行性椎间盘疾病和下背痛。

Tripathi等^[40]通过在自组装肽KLD-12(KLD)的N-末端加上含有可变数量的阳离子精氨酸残基，设计了4种KLD变体，研究证明KLD及其变体KLD-2R和KLD-3R促进矿化结节形成并诱导成骨基因(Runx2和Ⅰ型胶原)的表达。同时KLD-2R和KLD-3R也显示出显著的抗菌活性，能够预防材料使用中的继发感染；KLD-2R对骨折部位骨再生的促进作用随剂量的增加而增高，在250 μg剂量下显示出比原始自组装肽KLD更高的碱性磷酸酶活性；而KLD-3R能够更好的促进矿化基质沉积。

Quan等^[41]以骨形态发生蛋白2仿生肽(BMPBP)为基础设计了2种肽水凝胶，分别是D9 KIPKASSVPTELS AISRGDS(DSR)和D9 KIPKASS (p)VPTELSAISRGDS (DSpR)，其中骨形态发生蛋白2仿生肽是天然骨形态发生蛋白2的替代品，可通过与Ⅰ型和Ⅱ型骨形态发生蛋白受体的相互作用显著提高碱性磷酸酶活性和骨钙素表达。将2种肽植入颅骨缺损的SD大鼠，观察到DSR组和DSpR组在缺损区域周围的骨形成明显多于对照组，但骨再生只出现在支架的表面上，两组骨体积分数值也相近。用DSpR水凝胶包裹大鼠骨髓间充质干细胞后，从缺损边缘到中心区域均发现了骨样结构，骨体积分数值也显著升高。利用支架中骨形态发生蛋白2仿生肽对骨髓间充质干细胞成骨分化的加快作用，该支架能够增强成骨标志物的表达，并促进骨缺损愈合后期的骨骼成熟。

Tsukamoto等^[42]证明在具有成骨诱导培养基的SPG-178-Gel水凝胶中培养牙髓干细胞，发现骨桥蛋白、骨钙蛋白和Ⅰ型胶原蛋白的表达增加，Micro-CT观察显示广泛的钙沉积形成，表明在大鼠颅骨缺损模型中SPG-178-Gel可用于牙髓干细胞的高效成骨诱导并促进骨再生。Ando等^[43]用SPG-178水凝胶填充聚醚醚酮材料来增强其机械强度，发现SPG-178在体外能够提高骨生成中骨标记基因碱性磷酸酶、骨形态发生蛋白2和骨钙蛋白、骨桥蛋白、骨涎蛋白及Osterix的mRNA水平表达的增加，在体内可显著改善骨愈合。这些结果证明该水凝胶能够通过诱导骨传导因子作为促骨生成的支架。

骨组织工程中的自组装短肽见表1。

参考文献

[1]Feuvrier D,Sagawa Y Jr,Beliard S,et al.Long-term donor-site morbidity after vascularized free fibula flap harvesting: Clinical and gait analysis. J Plast Reconstr Aesthet Surg. 2016;69(2): 262-269.

[2]Lee SS, Huang BJ,Kaltz SR,et al. Bone regeneration with low dose BMP-2 amplified by biomimetic supramolecular nanofibers within collagen scaffolds. Biomaterials. 2013;34(2):452-459.

[3]Kashte S,Jaiswal AK,Kadam S.Artificial bone via bone tissue engineering: Current scenario and challenges.Tissue Eng Regen Med.2017;14(1):1-14.

[4]Quarto R,Giannoni P.Bone tissue engineering: Past-Present-Future. Methods Mol Biol.2016;1416:21-33.

[5]Roddy E,DeBaun MR,Daoud-Gray A,et al.Treatment of critical-sized bone defects: clinical and tissue engineering perspectives.Eur J Orthop Surg Traumatol. 2018;28(3): 351-362.

[6]Zhang Y,Fu C,Li Y,et al.Synthesis of an injectable, self-healable and dual responsive hydrogel for drug delivery and 3D cell cultivation.Polym Chem.2017;8(3):537-544.

[7]Iwata T,Yamato M,Ishikawa I,et al.Tissue engineering in periodontal tissue.Anat Rec (Hoboken). 2014;297(1):16-25.

[8]Chia HN,Wu BM.Recent advances in 3D printing of biomaterials.J Biol Eng.2015;9:4.

[9]Roseti L,Parisi V,Petretta M,et al.Scaffolds for bone tissue engineering: State of the art and new perspectives.Mater Sci Eng C Mater Biol Appl.2017;78:1246-1262.

[10]Velasco MA,Narvaez-Tovar CA,Garzon-Alvarado DA.Design,materials,and mechanobiology of biodegradable scaffolds for bone tissue engineering.Biomed Res Int. 2015; 2015:729076.

[11]Soundarya SP,Menon AH,Chandran SV,et al. Bone tissue engineering: Scaffold preparation using chitosan and other biomaterials with different design and fabrication techniques. Int J Biol Macromol. 2018;119:1228-1239.

[12]Ruan SQ,Yan L,Deng J,et al.Preparation of a biphase composite scaffold and its application in tissue engineering for femoral osteochondral defects in rabbits.Int Orthop. 2017; 41(9):1899-1908.

[13]Shadjou N,Hasanzadeh M,Khalilzadeh B.Graphene based scaffolds on bone tissue engineering. Bioengineered. 2018; 9(1):38-47.

[14]Zhang S,Holmes T,Lockshin C,et al.Spontaneous assembly of a self-complementary oligopeptide to form a stable macroscopic membrane.Proc Natl Acad Sci USA. 1993;90(8): 3334-3338.

[15]Yokoi H,Kinoshita T,Zhang S.Dynamic reassembly of peptide RADA16 nanofiber scaffold. Proc Natl Acad Sci USA. 2005; 102(24):8414-8419.

[16]Tian X,Sun F,Zhou XR,et al.Role of peptide self-assembly in antimicrobial peptides.J Pept Sci. 2015;21(7):530-539.

[17]Rad-Malekshahi M,Lempsink L,Amidi M,et al.Biomedical applications of self-assembling peptides. Bioconjug Chem. 2016;27(1):3-18.

[18]张锋,任灵飞,应永芳,等.成骨细胞在精-丙-天-丙16自组装多肽水凝胶表面培养的研究[J].医学研究杂志.2012,41(10):72-75.

[19]Chen S,Zhou A,He B,et al.Designer D-form self-assembling peptide scaffolds promote the proliferation and migration of rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells.Int J Mol Med. 2017;40(3):679-688.

[20]Tavakol S,Saber R,Hoveizi E,et al.Chimeric Self-assembling Nanofiber Containing Bone Marrow Homing Peptide's Motif Induces Motor Neuron Recovery in Animal Model of Chronic Spinal Cord Injury; an In Vitro and In Vivo Investigation.Mol Neurobiol.2016;53(5):3298-3308.

[21]Wu M,Ye Z,Zhu H,et al.Self-assembling peptide Nanofibrous hydrogel on immediate hemostasis and accelerative osteosis. Biomacromolecules.2015;16(10);3112-3118.

[22]Hayashi K,Ochiai-Shino H,Shiga T,et al.Transplantation of human-induced pluripotent stem cells carried by self-assembling peptide nanofiber hydrogel improves bone regeneration in rat calvarial bone defects.BDJ Open. 2016;2: 15007.

[23]Tcacencu I,Karlstrom E,Cedervall J,et al.Transplanted human bone marrow mesenchymal stem cells seeded onto peptide hydrogel decrease alveolar bone loss.Biores Open Access 2012;1(5):215-221.

[24]He B,Ou Y,Chen S,et al.Designer bFGF-incorporated d-form self-assembly peptide nanofiber scaffolds to promote bone repair.Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2017;74:451-458.

[25]Zhang Y, Yang W,Devit A,et al.Efficiency of coculture with angiogenic cells or physiological BMP-2 administration on improving osteogenic differentiation and bone formation of MSCs. J Biomed Mater Res A.2019;107(3):643-653.

[26]Phipps MC,Monte F,Mehta M,et al.Intraosseous delivery of bone morphogenic protein-2 using a self-assembling peptide hydrogel.Biomacromolecules 2016;17(7):2329-2336.

[27]Ikeno M,Hibi H,Kinoshita K,et al.Effects of self-assembling peptide hydrogel scaffold on bone regeneration with recombinant human bone morphogenetic protein-2.Int J Oral Maxillofac Implants. 2013;28(5):e283-289.

[28]Nagai Y,Yokoi H,Kaihara K,et al.The mechanical stimulation of cells in 3D culture within a self-assembling peptide hydrogel. Biomaterials.2012;33(4):1044-1051.

[29]Chen X,Zhou A,Zhao W,et al.Functionalized self-assembling peptide nanofiber scaffolds for culturing mc3t3-e1 cells.Dig J Nanomater Biostruct.2017;12(2):605-613.

[30]He B,Ou Y,Zhou A,et al.Functionalized D-form self-assembling peptide hydrogels for bone regeneration. Drug Des Devel Ther.2016;10:1379-1388.

[31]Horii A,Wang X,Gelain F,et al.Biological designer self-assembling peptide nanofiber scaffolds significantly enhance osteoblast proliferation,differentiation and 3-D migration. PLoS One. 2007;2(2):e190.

[32]Pigossi SC, Medeiros MC, Saska S, et al. Role of osteogenic growth peptide (OGP) and OGP(10-14) in bone regeneration:A Review. Int J Mol Sci. 2016;17(11):1885.

[33]赵刚,李京玲,王丹,等.新型自组装水凝胶NBD/RADA16可促进前成骨细胞的分化[J].中国组织工程研究, 2014,18(21): 3329-3333.

[34]Tao H,Zhang Y,Wang CF,et al.Biological evaluation of human degenerated nucleus pulposus cells in functionalized self-assembling peptide nanofiber hydrogel scaffold.Tissue Eng Part A. 2014;20(11-12):1621-1631.

[35]刘龙刚,伍耀宏,陶晖,等.修饰有BMP-7功能片段的功能化自组装多肽纳米纤维水凝胶RADKPS制备及其生物相容性研究[J].中国修复重建外科杂志,2016,30(4):491-498.

[36]陈贝克,侯天勇,刘健,等.新型自组装多肽水凝胶对成骨细胞前体细胞作用的体外研究[J].第三军医大学学报, 2016,38(8): 817-823.

[37]Li Z,Hou T,Luo F,et al.Bone marrow enriched graft, modified by self-assembly peptide, repairs critically-sized femur defects in goats.Int Orthop.2014;38(11):2391-2398.

[38]Hou T, Li Z, Luo F, et al. A composite demineralized bone matrix-self assembling peptide scaffold for enhancing cell and growth factor activity in bone marrow. Biomaterials. 2014;35(22):5689-5699.

[39]Wan S,Borland S,Richardson SM,et al.Self-assembling peptide hydrogel for intervertebral disc tissue engineering. Acta Biomater.2016;46:29-40.

[40]Tripathi JK,Pal S,Awasthi B,et al.Variants of self-assembling peptide, KLD-12 that show both rapid fracture healing and antimicrobial properties.Biomaterials.2015;56:92-103.

[41]Quan C,Zhang Z,Liang P,et al.Bioactive gel self-assembled from phosphorylate biomimetic peptide: A potential scaffold for enhanced osteogenesis.Int J Biol Macromol. 2019;121: 1054-1060.

[42]Tsukamoto J,Naruse K,Nagai Y,et al.Efficacy of a self-assembling peptide hydrogel, SPG-178-Gel, for bone regeneration and three-dimensional osteogenic induction of dental pulp stem cells.Tissue Eng Part A. 2017;23(23-24): 1394-1402.

[43]Ando K,Imagama S,Kobayashi K,et al.Effects of a self-assembling peptide as a scaffold on bone formation in a defect.PLoS One.2018;13(1):e0190833.

引言

由于创伤、感染和肿瘤的切除，骨缺损治疗往往需要通过替代物植入来修复，作为治愈金标准的自体骨移植供应通常有限，并且已发现供体部位的发病率与移植骨使用有关^[1]。同种异体骨移植物来源广泛，但是存在传染病和免疫反应的可能性^[2]，因此已研发了人工骨如聚合物、金属材料、生物玻璃和生物陶瓷等用于增强骨修复^[3]，但低成骨活性、低生物相容性和低降解速率等缺点限制了其临床应用。近年来，骨组织工程已成为修复骨组织和重建骨再生的新选择^[4-5]。骨组织工程由3个主要元素组成：种子细胞、支架材料和细胞因子，其中支架材料在修复骨缺损的过程中至关重要。理想的支架材料需要具备以下条件：①孔隙率：大孔隙率的材料有利于成骨细胞的生长，加快新生血管彼此连接，并且促进营养物质的进入和代谢产物的排出^[6-7]；②机械学性能：支架材料的弹性模量、硬度、断裂韧性、拉伸强度等性质也会影响种子细胞的生物学效应^[8]；③降解速率：材料的降解速率要与新骨生成的速率相一致，避免降解速度过快或过慢，并且降解产物对机体无毒害^[9]；④生物安全性：支架保证种子细胞存活增殖的前提下，可使细胞定向分化为成骨细胞，并且不诱发组织或机体的不良反应，同时可消除炎症，避免降低骨组织的再生概率^[10-13]。

自组装短肽水凝胶是骨组织工程最理性的支架材料之一，其自组装形成的纳米纤维结构具有合适的孔径，能够促进细胞的迁移和增殖，为细胞增殖和分化提供适宜的微环境，并允许结构内营养物质、氧气和代谢产物的质量转移；其组成成分为氨基酸，降解产物也为氨基酸，可用于机体进一步吸收，具有良好的生物相容性，能够支持细胞的正常活动而不会引起宿主局部或全身不良反应；其在体内降解速率与骨组织生长速率相匹配，有利于形成新生骨组织。此外，骨组织工程中的自组装短肽水凝胶可通过生物分子或机械刺激诱导新骨形成，具有良好的骨传导性、骨诱导性和成骨性，并可作为细胞因子的缓释载体。因此，自组装短肽水凝胶成为近年来骨组织工程研究的热门。文章就自组装短肽水凝胶材料在骨组织工程中的应用研究进展作一综述。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

讨论

近年来，移植成为修复骨缺损的主要方法，但自体骨和同种异体骨的植入都有其临床缺陷，人工骨也因缺乏良好的生物相容性而受到限制，由此骨组织工程为修复骨缺损提供了另一种选择。支架材料是组织工程的核心要素之一。作为新型生物材料，自组装短肽水凝胶具有可编程、成本低、生物相容性良好、降解产物无毒性等优点，在医学领域被广泛应用于细胞三维支架材料、组织修复、药物/蛋白释放、止血和抗菌剂等方面。应用于组织工程中的支架材料可模拟细胞外微环境，对种子细胞黏附、增殖、分化起显著促进作用，也可作为递送

载体控制细胞因子的释放，并可促进受损组织器官修复和重建。此外，水凝胶的可注射性对于修复不规则的骨缺损具有重大意义。

经典的自组装短肽水凝胶RADA16能够促进间充质干细胞和MC3T3-E1细胞的黏附、增殖和分化，高表达成骨分化相关基因，促进骨组织愈合与再生。但RADA16的低pH值有损伤细胞的可能，因此应设计出不同的生物活性序列对短肽进行改造，从而提高其生物活性、生物相容性和生物稳定性。常用的序列有细胞黏附基序RGD、成骨生长肽衍生基序、骨桥蛋白细胞黏附基序和生物模拟设计的双单位RGD结合序列、功能序列KPSS、SNVI和KAIS等。这些衍生材料能够加快细胞的迁移黏附和分化，增加体外成骨细胞如细胞中Ⅱ型胶原蛋白和骨钙蛋白的表达，并促进种子细胞在材料表面的快速增殖和高效分化为成骨细胞，从而修复缺损部位。近年来还有不少科研人员将骨形态发生蛋白、成纤维细胞生长因子等细胞因子共价结合在支架上，直接促进间充质干细胞、成骨细胞的增殖并有利于矿化骨结节的形成，从而加快新骨组织的生成。

尽管自组装短肽水凝胶在组织工程和再生医学领域具有广阔的应用前景，但其往往存在较差的稳定性、生物相容性和较弱的机械强度，使其降解速率不能与组织新生速率同步，过早释放种子细胞，使得细胞不能在指定的部位发挥作用，并且易诱发机体的炎症反应；较弱的机械强度使其不能更好地应用于相对坚硬的组织如软骨组织和骨组织，这也是其在骨组织工程临床应用上需要面对的主要难题。目前比较可行的办法之一是优化短肽序列，以获得更强的力学性能，将生物活性序列连接在短肽上，加强其稳定性和生物相容性，同时有些功能序列对种子细胞的增殖和分化也具有促进作用；二是联合其他高分子材料如聚醚醚酮、聚乳酸等形成复合材料，高分子材料较高的机械强度能够弥补短肽的缺陷，使得其更广泛和深入地应用于组织工程。随着自组装短肽设计理念和生物学性质的深入研究，相信其在骨组织工程中有更光明的应用前景。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

自组装短肽水凝胶与骨组织构建

Self-assembling peptide hydrogels and bone tissue construction

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[1]	林清凡, 解一新, 陈婉清, 叶振忠, 陈幼芳. 人胎盘源间充质干细胞条件培养液可上调缺氧状态下BeWo细胞活力和紧密连接因子的表达[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 4970-4975.
[2]	蒲锐, 陈子扬, 袁凌燕. 不同细胞来源外泌体保护心脏的特点与效应[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(在线): 1-.
[3]	张秀梅, 翟运开, 赵杰, 赵萌. 类器官模型国内外数据库近10年文献研究热点分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1249-1255.
[4]	王正东, 黄娜, 陈婧娴, 郑作兵, 胡鑫宇, 李梅, 苏晓, 苏学森, 颜南. 丁酸钠抑制氟中毒可诱导小胶质细胞活化及炎症因子表达增多[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1075-1080.
[5]	汪显耀, 关亚琳, 刘忠山. 提高间充质干细胞治疗难愈性创面的策略[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1081-1087.
[6]	万然, 史旭, 刘京松, 王岩松. 间充质干细胞分泌组治疗脊髓损伤的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1088-1095.
[7]	廖成成, 安家兴, 谭张雪, 王倩, 刘建国. 口腔鳞状细胞癌干细胞的治疗靶点及应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1096-1103.
[8]	谢文佳, 夏天娇, 周卿云, 刘羽佳, 顾小萍. 小胶质细胞介导神经元损伤在神经退行性疾病中的作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1109-1115.
[9]	李珊珊, 郭笑霄, 尤冉, 杨秀芬, 赵露, 陈曦, 王艳玲. 感光细胞替代治疗视网膜变性疾病[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1116-1121.
[10]	焦慧, 张一宁, 宋雨晴, 林宇, 王秀丽. 乳腺癌类器官研究进展及临床应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1122-1128.
[11]	王诗琦, 张金生. 中医药调控缺血缺氧微环境对骨髓间充质干细胞增殖、分化及衰老的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1129-1134.
[12]	曾燕华, 郝延磊. 许旺细胞体外培养及纯化的系统性综述[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1135-1141.
[13]	孔德胜, 何晶晶, 冯宝峰, 郭瑞云, Asiamah Ernest Amponsah, 吕飞, 张舒涵, 张晓琳, 马隽, 崔慧先. 间充质干细胞修复大动物模型脊髓损伤疗效评价的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1142-1148.
[14]	侯婧瑛, 于萌蕾, 郭天柱, 龙会宝, 吴浩. 缺氧预处理激活HIF-1α/MALAT1/VEGFA通路促进骨髓间充质干细胞生存和血管再生[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 985-990.
[15]	史洋洋, 秦英飞, 吴福玲, 何潇, 张雪静. 胎盘间充质干细胞预处理预防小鼠毛细支气管炎[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 991-995.