自组装多肽纳米纤维水凝胶在细胞三维培养中的应用及特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.12.017

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (12): 1907-1913.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.12.017

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自组装多肽纳米纤维水凝胶在细胞三维培养中的应用及特征

刘茜^{1, 2}，王秀梅²

1苏州大学现代丝绸国家工程实验室，纺织与服装工程学院，江苏省苏州市 215123
2清华大学材料科学与工程学院，再生医学与仿生材料研究所，北京市 100084

修回日期:2014-01-18 出版日期:2014-03-19 发布日期:2014-03-19
通讯作者: 王秀梅，教授，清华大学材料科学与工程学院，再生医学与仿生材料研究所，北京市100084
作者简介:刘茜，女，1985年生，河北省高碑店市人，汉族， 2013年清华大学毕业，博士，高聘副教授，主要从事生物材料研究。
基金资助:
江苏省高校自然科学研究面上项目(13KJB430019)；中国博士后科学基金(2013M541724)；清华大学自主科研计划(20121087982)

Application and characteristics of self-assembling peptide nanofiber hydrogel in three-dimensional cell culture systems

Liu Xi^{1, 2}, Wang Xiu-mei²

1National Engineering Laboratory for Modern Silk, College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215123, Jiangsu Province, China
2Institute for Regenerative Medicine and Biomimetic Materials, Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Revised:2014-01-18 Online:2014-03-19 Published:2014-03-19
Contact: Wang Xiu-mei, Professor, Institute for Regenerative Medicine and Biomimetic Materials, Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
About author:Liu Xi, Ph.D., Assistant professor, National Engineering Laboratory for Modern Silk, College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215123, Jiangsu Province, China; Institute for Regenerative Medicine and Biomimetic Materials, Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Supported by:
Natural Science Foundation of the Higher Education Institutions of Jiangsu Province, No. 13KJB430019; China Postdoctoral Science Foundation, No. 2013M541724; Tsinghua University Initiative Scientific Research Program, No. 20121087982

摘要/Abstract

摘要：

背景：自组装多肽类材料因其独特的设计及良好的生物相容性和可降解性在众多三维支架材料中脱颖而出。
目的：综述RADA类离子互补型自组装多肽支架材料的结构和功能化设计，从细胞三维培养方面探讨多肽类材料作为细胞载体材料在细胞治疗中的应用前景。
方法：由作者通过PubMed、Web of science数据库及CNKI数据库检索有关自组装多肽水凝胶的相关文献，检索词为“self-assembly peptide, tissue engineering；自组装多肽，组织工程”，检索文献量总计224篇，纳入包含多肽材料设计、功能化多肽材料、多肽材料用于细胞三维培养方面的研究，最终纳入48篇。
结果与结论：从物理结构角度讲，多肽材料可以在生理环境中自组装成具有纳米级纤维和较高孔隙率的水凝胶，最大程度上模拟细胞外基质的结构，保障细胞生存在一个真正的三维环境中。从生物功能角度讲，多肽材料可以根据不同需求复合特异性的生物活性短肽片断，赋予材料一定的细胞特异性，可以促进细胞的黏附、增殖或分化。

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

全文链接：

关键词: 生物材料, 纳米生物材料, 自组装多肽, 水凝胶, 纳米纤维, 三维培养, 生物材料综述

Abstract:

BACKGROUND: Self-assembling peptide scaffolds have attracted much more attention among three dimensional biomaterials due to its biocompatibility, biodegradation, and tailor-made properties.
OBJECTIVE: To review the structure and design of functionalized self-assembling RADA peptide, and the recent advances in the use of RADA self-assembling peptide for three-dimensional cell culture in cell therapy applications.
METHODS: Total 224 literatures related to self-assembling peptide and tissue engineering from PubMed, Web of Science and CNKI databases were screened out for this review. The keywords were “self-assembly peptide, tissue engineering” in English and Chinese, respectively. Finally 48 of 224 articles about the design, fictionalization, and three-dimensional cell culture of peptide scaffolds were included in this review.
RESULTS AND CONCLUSION: Self-assembling peptide could undergo spontaneous assembly into well-ordered interwoven nanofibers in water and rapidly form hydrogel, which physically mimics the architecture of natural extracellular matrix to ensure a real three-dimensional microenvironment for cells. In terms of bio-function, this material can be tailor-made with various bioactive short peptide motifs to promote cell adhesion, proliferation, and differentiation.

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

全文链接：

Key words: biocompatible materials, peptides, hydrogel, cells, nanofibers

中图分类号:

R318

刘茜，王秀梅 . 自组装多肽纳米纤维水凝胶在细胞三维培养中的应用及特征[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(12): 1907-1913.

Liu Xi, Wang Xiu-mei. Application and characteristics of self-assembling peptide nanofiber hydrogel in three-dimensional cell culture systems[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(12): 1907-1913.

图/表（结果） 2

2.1 自组装多肽的发现 第1个自组装多肽EAK16-II (AEAEAKAKAEAEAKAK)的发现源于对酵母遗传学和结构蛋白学的研究，它由丙氨酸(alanine，A)、谷氨酸(glutamate，E)和赖氨酸(lysine，K)交替排列而成，并在水中能够形成稳定的β折叠结构^[10-11]。由于该β折叠结构一侧是非极性疏水端，另一侧是由带有正负电氨基酸组成的亲水端，这类多肽分子又被称为“离子互补型自组装多肽分子”。在水溶液中，多肽分子发生自组装，通过分子间的疏水作用力，肽链的疏水端聚集在内侧，而外侧亲水端的氨基酸通过互补的离子相互作用横向交替排列，使自组装的多肽分子延长并形成稳定的直径约10 nm的纳米纤维。在改变多肽溶液pH值或加入碱性阳离子的情况下，自组装多肽分子开始凝胶化，形成含水量99%(5-10 g/L)以上的水凝胶。

基于这一发现，多种具有类似特征的多肽序列越来越受到人们的关注与研究，尽管设计方案和组装形态不尽相同，但在组织工程领域都取得了令人欣喜的结果。其中，Zhang等^[12-17]设计的RADA16-I (AcN- RADARADARADARADA-CNH₂)与RADA16-II (AcN-RARADADARARADADA-CNH₂)研究和应用最为广泛，RADA16-I已被商品化(PuraMatrix^TM，BD Biosciences)。这里由精氨酸(arginine，R)和天门冬氨酸(aspartate，D)分别代替赖氨酸K和谷氨酸E。除RADA外，自组装多肽分子家族仍在不断增加。在自组装多肽分子的设计中，疏水性和多肽序列长度是影响多肽自组装特性的重要因素。疏水性越高、多肽序列越长，自组装过程越容易发生。

2.2 功能化RADA自组装多肽水凝胶 以短肽为基本组成单元，不仅使得这类多肽材料具有更好的生物相容性、可降解性，更为突出的优点是其具有可设计性，可根据需求不同复合不同的生物活性分子，赋予该类材料“生物智能”的特性。在RADA自组装多肽的基础上，可以复合具有细胞特异性的功能短肽片段，显著提高材料的生物功能和特异性^[3-5]。复合功能片段主要是在多肽固相合成过程中，通过延长C末端将自组装多肽和功能多肽通过几个甘氨酸连接起来(图1)。

其中，甘氨酸的作用是为了增加功能片段的灵活性，避免功能片段影响自组装多肽的自组装过程。一般将接枝有功能短肽的多肽与RADA多肽1∶1混合使用，实验表明功能片段并未影响自组装多肽的自组装过程，并且能够显著提高自组装多肽的生物功能。下面简要介绍一些常见的功能片段：

细胞黏附生长因子重复多肽PRG：RGD广泛存在于粘连蛋白等多种细胞外基质蛋白中，与细胞膜上的整联蛋白特异性结合，是细胞黏附的关键结合位点^[19-20]。大量体内外实验证明RGD能够促进细胞黏附。PRGDS和YRGDS是天然蛋白中出现频率最高的RGD片段，功能片段PRG是将上述两种RGD片段重复排列，目的是更好地促进细胞黏附和存活。

成骨生长多肽ALK(ALKRQGRTLYGF)：该多肽是一种对骨髓损伤有系统性应答的促进因子，能够刺激成骨细胞的活性，促进成骨细胞和成纤维细胞的生长，还能促进由基质微环境刺激所引起的继发性造血反应^[21-22]。将其复合在自组装多肽上，旨在促进骨细胞增殖与分化。

骨桥蛋白黏附多肽DRG(DGRGDSVAYG)：骨桥蛋白主要由骨组织内的前成骨细胞、成骨细胞和骨细胞合成的一种高度磷酸化的糖蛋白。骨桥蛋白具有调节细胞黏附、迁移、存活和体内矿化的作用^[23]。其中DRG是骨桥蛋白中的细胞黏附片段，旨在增加成骨细胞的特异性黏附与增殖。

骨细胞归巢多肽分子SKP(SKPPGTSS)：Nowakowski 等^[24-25]通过Phage display peptide libraries 筛选出一系列骨髓细胞归巢多肽，富含氨基酸K、P、F、S、T 等。这类多肽能与间充质干细胞结合，指导体内骨髓归巢。功能片断SKP有望增加材料与干细胞的结合能力，在材料上建立一个理想微环境，提高干细胞的存活能力、生长因子的释放及保持干细胞的多能分化特性等。

肝素结合域多肽FHR(GGFHRRIKA)：研究证实细胞表面的蛋白多糖与整合素在调节细胞黏附行为上同样重要，FHR片断可以与蛋白多糖结合，旨在提高干细胞的黏附和铺展^[26-28]。

血管生长因子模拟多肽片断KLT (KLTWQELYQLKYKGI)：作为血管生长因子的类似物，模拟了血管生长因子的17-25 区间的螺旋区域。该区域能够激活血管生长因子受体，因此激活包括内皮细胞增殖在内的血管生长因子相关的细胞信号通路。KLT也是目前文献报道中惟一的一个能够激活血管生长因子受体的合成多肽。

层粘连蛋白衍生多肽片断IKVAV：层粘连蛋白是一种大型的糖蛋白，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。该糖蛋白分子组成中至少存在8个与细胞结合的位点，其中IKVAV这个五肽序列可与神经细胞结合，促进神经生长^[29]。

除上述功能化片段外，功能化自组装多肽家族在不断扩展。尽管功能化自组装多肽与自组装多肽RADA在框架材料结构与形貌上没有差异，但这些添加的功能片段确实能够显著提高材料对细胞的特异性调节作用。通过自组装多肽功能化，可以将确定的功能片段或者生长因子直接接枝到支架材料上，使材料兼具生物活性和生物安全性。在由功能化自组装多肽构建的三维环境内，细胞能够有更多的机会与功能片段接触，在三维空间内受到外部信号的调控作用，这一点与体内环境十分近似。

功能化自组装多肽在材料学、细胞生物学领域越来越受到青睐。与胶原、Matrigel等高分子材料不同，该类材料具有显著的优势：可设计性，在氨基酸这一分子水平上可以很容易地对材料进行改性；稳定性，完全由已知的氨基酸序列构成，不会因生产批次不同而质量不同；可控性，可以根据功能需要设计材料的氨基酸序列组成用于促进基因表达或者细胞信号通路。这类材料可以作为研究细胞信号通路的工具；凝胶化过程温和，凝胶化过程是通过改变离子间作用力完成，不需要改变温度或添加化学交联剂。这是实现细胞三维培养的必要条件；可以高度模拟细胞外基质，该类水凝胶材料含水量高，利于营养和代谢物质的流通。另外，可以接枝已知的细胞外基质可溶性因子，为细胞提供一个高度仿生的三维微环境，是再生医学细胞治疗的理想载体材料。

2.3 RADA自组装多肽水凝胶用于细胞三维培养 在多肽水凝胶用于细胞三维培养实验中，主要采用下述两种方法^{[18, 30]}：首先制备好多肽水凝胶，然后将细胞种植在水凝胶表面，这种方法主要用来观察细胞向凝胶内部的迁移情况(图2A)；将多肽与细胞悬液混合，再调节pH值使材料凝胶化，将细胞包覆在凝胶内部，即三维原位细胞培养(图2B)。

2.3.1 用于成骨细胞三维培养 将生物活性片段PRG、ALK和DRG复合到RADA自组装多肽上，与RADA进行1∶1混合得到功能化自组装多肽支架材料，实验表明这3种功能化多肽能有效促进成骨细胞MC3T3-E1增殖^[32]。此外，相比于RADA，功能化多肽支架材料能提高成骨细胞碱性磷酸酶和骨涎蛋白的表达，并且功能化多肽PRG/RAD能够刺激细胞向框架材料里三维迁移。这些结果表明，功能化自组装多肽不仅可以为骨细胞提供适宜的三维微环境，还可以诱导骨细胞分泌骨特异性蛋白，在骨组织修复方面表现广阔的应用前景。

2.3.2 用于内皮细胞三维培养 Wang等^[30]将血管内皮生长因子模拟片断KLT和RGD活性片断PRG接枝到RADA上，通过与人脐带静脉内皮细胞三维培养，观察内皮细胞的增殖和血管化情况，研究了功能化自组装多肽支架材料在血管生成领域的应用前景。相比于RADA，功能化自组装多肽RAD/KLT、RAD/PRG能够显著提高人脐带静脉内皮细胞的增殖、迁移及形态血管化。实验结果表明，在三维原位培养下，内皮细胞存活状态良好，能够充分铺展伸长，并且发现细胞之间相互连接形成官腔结构(图3)。Liu等^[18]还通过三维微球方法建立了人脐带静脉内皮细胞与自组装多肽材料的三维复合体，实验发现多肽材料可以诱使内皮细胞发生三维迁移和萌芽行为。

2.3.3 用于间充质干细胞的三维培养 干细胞治疗在组织工程中越来越引起关注，并且前期临床试验中干细胞移植治疗也表现出明显的治疗效果。但干细胞治疗中存在的首要问题便是干细胞活性和数量。由于受损组织炎症，通常情况下很难为移植的干细胞提供健康的生长微环境，往往需要生物材料来为干细胞提供生长环境，促进干细胞增殖，并保持干细胞活性^[33-35]。因此，在三维生长条件下研究生物材料与干细胞的相互作用对于组织工程修复十分必要。

大量体内研究表明，成体干细胞的迁移是实现组织修复的基础，因此研究生物材料对于干细胞迁移行为的影响至关重要^[36-39]。采用上述细胞三维培养方法，Liu 等^[39]研究了SKP、FHR和PRG三种功能短肽对于脂肪干细胞三维迁移的影响(图4)。脂肪干细胞均能够向多肽水凝胶内部迁移，说明此类材料的纳米级纤维和空隙网络结构并不会对干细胞的运动造成障碍。此外，功能短肽片断能够显著影响脂肪干细胞的迁移行为。除此之外，Liu等还研究了在三维原位培养条件下，各种功能片断对于脂肪干细胞增殖、形貌及生长因子分泌的影响。脂肪干细胞可在凝胶内部充分伸展，表现出良好的细胞活性，并且功能片断能够显著促进脂肪干细胞的增殖并保持其生长因子的分泌能力。

在成骨诱导液的培养条件下，RADA多肽支架材料中骨髓间充质干细胞的钙含量和骨钙素含量随着培养时间程上升趋势，即三维支架材料内部的干细胞可以向成熟骨细胞分化。共聚焦三维重构图像显示，矿化的细胞外基质能够遍布整个三维RADA支架材料^[40]。该研究结果说明，RADA可以作为骨髓间充质干细胞的载体材料用于骨组织工程研究。

除上述普通细胞系或者较为容易生长的脂肪干细胞外，功能化RADA自组装多肽 (RAD/IKVAV)还用于神经干细胞和肝祖细胞的三维培养^[41-45]。实验表明，RAD/IKVAV有助于神经干细胞的黏附并可诱导干细胞向神经元方向分化。在肝祖细胞三维培养过程中，RADA自组装多肽能够为肝祖细胞提供一个适宜的三维微环境，促进其分化为功能性肝样细胞球^[46]。

由上述结果可见，具有类天然细胞外基质结构的RADA自组装多肽水凝胶材料可为细胞提供一个良好的三维微环境，促进细胞黏附、增殖、分化或保持干细胞活性。同时体内研究显示，RADA多肽支架材料在动物体内也表现出了良好的生物相容性和生物活性。以切断小鼠脑上丘的视神经作为创伤模型，通过注射RADA多肽材料，能够有效修复受损脑组织并恢复视觉功能^[47]。在心肌疾病模型中，RADA多肽材料可以为注射的胚胎干细胞生长提供良好的生长微环境，募集内源的内皮细胞和平滑肌细胞，促进组织血管化^[48]。在鸡胚绒毛尿囊膜实验中，RADA多肽材料与宿主组织界面结合良好，能诱导宿主组织和毛细血管的长入^[18]。将载有神经干细胞的功能多肽注射到脑缺损部位，实验发现多肽水凝胶不仅能够为移植的神经干细胞提供一个适宜的三维微环境促进其成活，还能够有效抑制星形胶质细胞的形成，体内实验6周后发现，多肽水凝胶可以促进移植的神经干细胞向神经元方向分化^[41]。

由天然的氨基酸作为组成单元，RADA自组装多肽在动物体内表现出了良好的生物相容性。更重要的是该类材料的降解产物为氨基酸，可被生物体吸收再利用，极大提供了材料的生物安全性。同时由于该材料是一种pH敏感的水凝胶材料，可作为可注射材料来使用。因此这类材料可以作为细胞的载体材料用于组织工程领域中的细胞治疗。

参考文献

[1] Lutolf MP,Gilbert PM,Blau HM.Designing materials to direct stem-cell fate.Nature.2009;462(7272):433-441.

[2] Marklein RA,Burdick JA.Controlling stem cell fate with material design.Adv Mater.2010;22(2):175-189.

[3] Gelain F,Horii A,Zhang S.Designer self-assembling peptide scaffolds for 3-d tissue cell cultures and regenerative medicine.Macromol Biosci.2007;7(5):544-551.

[4] Stevens MM,George JH.Exploring and engineering the cell surface interface.Science.2005;310(5751):1135-1138.

[5] Yanlian Y,Ulung K,Xiumei W,et al.Designer self-assembling peptide nanomaterials.Nano Today.2009;4(2):193-210.

[6] Matson JB,Stupp SI.Self-assembling peptide scaffolds for regenerative medicine.Chem Commun (Camb).2012;48(1): 26-33.

[7] Matson JB,Zha RH,Stupp SI.Peptide self-assembly for crafting functional biological materials.Curr Opin Solid State Mater Sci. 2011;15(6):225-235.

[8] Webber MJ,Tongers J,Renault MA,et al.Development of bioactive peptide amphiphiles for therapeutic cell delivery. Acta Biomater.2010;6(1):3-11.

[9] Garty S,Kimelman-Bleich N,Hayouka Z,et al.Peptide-modified "smart" hydrogels and genetically engineered stem cells for skeletal tissue engineering.Biomacromolecules. 2010;11(6): 1516-1526.

[10] Zhang S,Holmes TC,DiPersio CM,et al.Self-complementary oligopeptide matrices support mammalian cell attachment. Biomaterials. 1995;16(18):1385-1393.

[11] Hong Y,Legge RL,Zhang S,et al.Effect of amino acid sequence and pH on nanofiber formation of self-assembling peptides EAK16-II and EAK16-IV. Biomacromolecules. 2003; 4(5):1433-1442.

[12] 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 U S A.1993; 90(8): 3334-3338.

[13] Altman M,Lee P,Rich A,et al.Conformational behavior of ionic self-complementary peptides.Protein Sci.2000;9(6): 1095-1105.

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

[15] Mershin A,Cook B,Kaiser L,et al.A classic assembly of nanobiomaterials.Nat Biotechnol.2005;23(11):1379-1380.

[16] Lomander A,Hwang W,Zhang S.Hierarchical self-assembly of a coiled-coil peptide into fractal structure.Nano Lett. 2005;5(7): 1255-1260.

[17] Vauthey S,Santoso S,Gong H,et al.Molecular self-assembly of surfactant-like peptides to form nanotubes and nanovesicles. Proc Natl Acad Sci U S A.2002;99(8): 5355-5360.

[18] Liu X,Wang X,Horii A,et al.In vivo studies on angiogenic activity of two designer self-assembling peptide scaffold hydrogels in the chicken embryo chorioallantoic membrane. Nanoscale.2012;4(8):2720-2727.

[19] Hersel U,Dahmen C,Kessler H.RGD modified polymers: biomaterials for stimulated cell adhesion and beyond. Biomaterials.2003;24(24):4385-4415.

[20] Ruoslahti E.RGD and other recognition sequences for integrins.Annu Rev Cell Dev Biol.1996;12:697-715.

[21] Bab I,Gazit D,Chorev M,et al.Histone H4-related osteogenic growth peptide (OGP): a novel circulating stimulator of osteoblastic activity.The EMBO J.1992;11(5):1867.

[22] Fazzi R,Testi R,Trasciatti S,et al.Bone and bone-marrow interactions: haematological activity of osteoblastic growth peptide (OGP)-derived carboxy-terminal pentapeptide. Mobilizing properties on white blood cells and peripheral blood stem cells in mice.Leukemia Res. 2002;26(1): 19-27.

[23] Kreis TE,Vale RE.Guidebook to the extracellular matrix, anchor, and adhesion proteins.Oxford University Press.1999.

[24] Nowakowski GS,Dooner MS,Valinski HM,et al.A specific heptapeptide from a phage display peptide library homes to bone marrow and binds to primitive hematopoietic stem cells.Stem Cells.2004;22(6):1030-1038.

[25] Palou E,Pirotto F,Sole J,et al.Genomic characterization of CD84 reveals the existence of five isoforms differing in their cytoplasmic domains.Tissue Antigens.2000;55(2):118-127.

[26] Choi YJ,Lee JY,Park JH,et al.The identification of a heparin binding domain peptide from bone morphogenetic protein-4 and its role on osteogenesis.Biomaterials. 2010;31(28): 7226-7238.

[27] Chillakuri CR,Jones C,Mardon HJ.Heparin binding domain in vitronectin is required for oligomerization and thus enhances integrin mediated cell adhesion and spreading.Febs Lett.2010; 584(15):3287-3291.

[28] Harbers GM,Healy KE.The effect of ligand type and density on osteoblast adhesion,proliferation, and matrix mineralization.J Biomed Mater Res A.2005;75A(4):855-869.

[29] Tashiro K-i,Sephel G,Weeks B,et al.A synthetic peptide containing the IKVAV sequence from the A chain of laminin mediates cell attachment, migration, and neurite outgrowth.J Biol Chem.1989;264(27):16174-16182.

[30] Wang XM,Horii A,Zhang SG.Designer functionalized self-assembling peptide nanofiber scaffolds for growth, migration, and tubulogenesis of human umbilical vein endothelial cells.Soft Matter. 2008;4(12):2388-2395.

[31] 刘茜.材料调控脂肪干细胞命运及其血管生成活性的研究[D].清华大学,2013.

[32] 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.

[33] Guillaume DJ,Johnson MA,Li XJ,et al.Human embryonic stem cell‐derived neural precursors develop into neurons and integrate into the host brain.J Neurosci Res.2006;84(6): 1165-1176.

[34] Li XJ,Du ZW,Zarnowska ED,et al.Specification of motoneurons from human embryonic stem cells.Nat Biotechnol. 2005;23(2):215-221.

[35] Mueller D,Shamblott MJ,Fox HE,et al.Transplanted human embryonic germ cell-derived neural stem cells replace neurons and oligodendrocytes in the forebrain of neonatal mice with excitotoxic brain damage.J Neurosci Res.2005; 82(5):592-608.

[36] Eglitis MA,Mezey É.Hematopoietic cells differentiate into both microglia and macroglia in the brains of adult mice.Proc Natl Acad Sci U S A.1997;94(8):4080.

[37] Ferrari G,Angelis D,Coletta M,et al.Muscle regeneration by bone marrow-derived myogenic progenitors. Science. 1998; 279(5356):1528-1530.

[38] Jackson KA,Majka SM,Wang H,et al.Regeneration of ischemic cardiac muscle and vascular endothelium by adult stem cells.J Clin Invest. 2001;107(11):1395-1402.

[39] Liu X,Wang X,Ren H,et al.Functionalized self-assembling peptide nanofiber hydrogels mimic stem cell niche to control human adipose stem cell behavior in vitro.Acta Biomaterialia. 2013;9(6):6798-6805.

[40] Hamada K,Hirose M,Yamashita T,et al.Spatial distribution of mineralized bone matrix produced by marrow mesenchymal stem cells in self-assembling peptide hydrogel scaffold.J Biomed Mater Res A. 2008;84(1):128-136.

[41] Cheng TY,Chen MH,Chang WH,et al.Neural stem cells encapsulated in a functionalized self-assembling peptide hydrogel for brain tissue engineering.Biomaterials. 2013; 34(8):2005-2016.

[42] Cunha C,Panseri S,Villa O,et al.3D culture of adult mouse neural stem cells within functionalized self-assembling peptide scaffolds.Inte J Nanomed.2011;6:943-955.

[43] Zhang ZX,Zheng QX,Wu YC,et al.Compatibility of neural stem cells with functionalized self-assembling peptide scaffold in vitro.Biotechnol Bioprocess Eng.2010;15(4):545-551.

[44] Gelain F,Bottai D,Vescovi A,et al.Designer self-assembling peptide nanofiber scaffolds for adult mouse neural stem cell 3-dimensional cultures.PLoS One.2006;1(1):e119.

[45] Semino CE,Kasahara J,Hayashi Y,et al.Entrapment of migrating hippocampal neural cells in three-dimensional peptide nanofiber scaffold.Tissue Eng.2004;10(3-4):643-655.

[46] Semino CE,Merok JR,Crane GG,et al.Functional differentiation of hepatocyte-like spheroid structures from putative liver progenitor cells in three-dimensional peptide scaffolds.Differentiation. 2003;71(4-5):262-270.

[47] Ellis-Behnke RG,Liang YX,You SW,et al.Nano neuro knitting: peptide nanofiber scaffold for brain repair and axon regeneration with functional return of vision.Proc Natl Acad Sci U S A. 2006;103(13):5054-5059.

[48] Davis ME,Motion JP,Narmoneva DA,et al.Injectable self-assembling peptide nanofibers create intramyocardial microenvironments for endothelial cells.Circulation.2005; 111(4):442-450.

引言

组织工程与再生医学领域是一门融汇材料科学、生物技术和生命科学的新兴交叉学科，其中两个关键的组成要素便是生物材料和细胞。生物支架材料既可以作为细胞的载体，又可以作为新生组织的支架，因此寻找适宜的支架材料一直是组织工程与再生医学的一个重要内容。在体内细胞处于一个水合的三维微环境中，受到微环境中物理信号和生物活性信号的影响，维持细胞新陈代谢的平衡，在机体受损时分泌各类因子或者迅速增殖，达到组织修复的目的^[1-2]。因此，越来越多的材料学者们致力于三维支架材料的制备，研究在三维环境中材料与细胞的相互作用，使其更好地用于组织工程修复。

在组织工程发展的近30年来，天然与合成高分子类生物材料已被广泛应用于组织工程各个领域，也极大促进了细胞与材料相互作用的研究。然而这两种类型的生物材料都有一定的局限性，不能够为细胞提供真正的三维环境^[3]。由这些材料制备的支架材料纤维直径和孔隙尺寸一般是微米级，这与细胞的大小(5-20 μm)相当。在微米级纤维支架中细胞仅存在曲率上的变化，实质上仍然处在二维环境中。此外，支架的微米孔径通常是生物分子尺寸的1 000-10 000倍以上，导致了生物分子过快流通。因此真正意义上的三维支架材料要求其纤维直径与孔隙尺寸要比细胞尺寸小很多^[4]。尽管电纺丝技术可将上述高分子类材料制备成纳米尺寸的支架材料，但制备过程中的高电压及有机溶剂致使细胞原位三维培养无法完成。

理想的三维支架材料应具备以下特点：材料的结构尺寸应保证细胞处在真正的三维环境中；材料可设计性强；材料应具有生物安全性、生物可降解性，并无免疫反应；材料制备过程经济，可重复生产；应具备生理条件下良好的相容性等^[5]。在众多材料中，以多肽为基本组成单元，依靠多肽分子天然自组装得到的新颖支架材料具有纳米级纤维组成、简单的氨基酸成分和充分的含水量，更接近天然细胞外基质，可为细胞提供理想的三维环境^[6-9]。文中主要介绍以RADA为基本组装单元的功能化自组装多肽纳米纤维支架材料，作为细胞载体材料在细胞三维培养中的应用。

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
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自组装多肽纳米纤维水凝胶在细胞三维培养中的应用及特征

Application and characteristics of self-assembling peptide nanofiber hydrogel in three-dimensional cell culture systems

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[1]	李黎, 马力. 磁性壳聚糖微球固定化乳糖酶及其酶学性质[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 576-581.
[2]	张振坤, 李喆, 李亚, 王莹莹, 王亚苹, 周馨魁, 马珊珊, 关方霞. 海藻酸盐基水凝胶/敷料在创面愈合中的应用：持续、动态与顺序释放[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 638-643.
[3]	刘方, 单争明, 汤雨蕾, 伍晓敏, 田卫群. 臭氧缓释水凝胶止血及促伤口愈合作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3445-3449.
[4]	刘鋆, 杨龙, 王伟宇, 周玉虎, 吴颖, 卢涛, 舒莉萍, 马敏先, 叶川. 聚3-羟基丁酸酯4-羟基丁酸酯/聚乙二醇/氧化石墨烯组织工程支架的制备和性能评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3466-3472.
[5]	李鑫平, 崔秋菊, 曾曙光, 冉高英, 张兆强, 刘显文, 方炜, 徐帅妹. β-磷酸三钙/壳聚糖水凝胶改性对牙髓干细胞生长与矿化的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3493-3499.
[6]	刘利永, 周雷. 组织工程用水凝胶研发现状和发展趋势：基于专利信息的分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3527-3533.
[7]	周安琪, 唐渝菲, 吴秉峰, 向琳. 骨膜组织工程设计：共性与个性的结合[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3551-3557.
[8]	甘丽莉, 熊娜, 刘燕飞. 水凝胶药物支架修复皮肤创面：临床应用可能性的挑战[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3578-3583.
[9]	郎丽敏, 何生, 姜增誉, 胡奕奕, 张智星, 梁敏茜. 导电复合材料在心肌梗死组织工程治疗领域的应用进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(22): 3584-3590.
[10]	陈思宇, 李燕楠, 颉丽英, 刘司麒, 范玉蓉, 房昌星, 张鑫, 权家宇, 左琳. 负载碱性成纤维细胞生长因子温敏性壳聚糖-胶原复合水凝胶可减缓小鼠心肌梗死后心室的重构[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2472-2478.
[11]	刘冯, 张瑜, 王燕丽, 骆威, 韩超珊, 李杨欣. 温敏型壳聚糖水凝胶包封外泌体在缺血性疾病中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2479-2487.
[12]	张馨, 陆莹, 姚庆强, 朱颐申. 载阿霉素自组装多肽水凝胶的制备及体外评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2488-2493.
[13]	黎少, 梁永康, 高毅, 彭青. 三维胶原HepaRG微球的建立及其体外功能特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2541-2547.
[14]	解健, 苏俭生. 静电纺丝取向纳米纤维作为组织工程生物支架的优势与特征[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2575-2581.
[15]	纪琦, 喻正文, 张剑. 3D打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋势[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(16): 2597-2604.