Termoreaktywne polipeptydy inspirowane małżami – nowatorskie materiały chirurgiczne i hemostatyczne
Termoreaktywne polipeptydy inspirowane małżami: nowatorskie materiały chirurgiczne i hemostatyczne
1.Podłoże badawcze
Szwy chirurgiczne pozostają główną metodą zamykania ran, jednak wiążą się z oczywistymi wadami, takimi jak blizny po igłach, podrażnienia tkanek i procedury wtórnego usuwania. Dostępne w handlu kleje tkankowe mają istotne wady: klej fibrynowy wykazuje słabą przyczepność na mokro, natomiast cyjanoakrylan charakteryzuje się słabą biozgodnością i wywołuje poważne reakcje zapalne, co ogranicza ich zastosowanie kliniczne. Małże morskie mogą trwale przylegać do wilgotnych podłoży dzięki licznym pozostałościom L-DOPA w białkach adhezyjnych, co inspiruje szeroko zakrojone badania nad biomimetycznymi klejami. Istniejące polimery naśladujące małże charakteryzują się zazwyczaj wolnym tempem utwardzania lub niewystarczającą wytrzymałością wiązania pod wodą. Ponadto, większość zgłaszanych bioadhezji nie posiada termoreaktywnej zdolności przejścia zol-żel, która uniemożliwia szybkie utworzenie żelu in situ w temperaturze ciała człowieka, zapewniającego natychmiastową hemostazę i uszczelnienie rany. Polipeptydy charakteryzują się wyjątkową biozgodnością, biodegradowalnością i bioaktywnością, co czyni je idealnymi biomedycznymi materiałami nośnikowymi. Jednakże wielofunkcyjne termoczułe kleje polipeptydowe zintegrowane z grupami funkcyjnymi katecholu, argininy, cysteiny i lizyny rzadko były systematycznie konstruowane i weryfikowane pod kątem naprawy skóry i kości w modelach zwierzęcych.
2.Znaczenie badań
Niniejsza praca projektuje serię wielofunkcyjnych, termoresponsywnych polipeptydów, wytwarzanych w procesie polimeryzacji z otwarciem pierścienia NCA, łącząc inspirowaną małżami adhezję katecholową, wiązanie elektrostatyczne argininy, usieciowanie tiolowe cysteiny oraz termowrażliwe segmenty EG₂-Glu. Badania systematycznie charakteryzują ich właściwości fizykochemiczne, skuteczność wiązania in vitro oraz zdolność do hemostazy i naprawy tkanek in vivo, wypełniając lukę w dziedzinie wielofunkcyjnych polipeptydowych klejów chirurgicznych. Opracowany materiał kompozytowy BPEDAC-BPEDAL charakteryzuje się solidną przyczepnością na mokro do skóry i kości świńskiej, szybką żelacją in situ w temperaturze 37°C, niską cytotoksycznością i całkowitą biodegradacją. Zapewnia on łatwą strategię syntezy dla bezszwowych biomateriałów hemostatycznych i ortopedycznych nowej generacji, oferując wiarygodne dane przedkliniczne dla translacyjnego rozwoju polipeptydowych klejów medycznych.
3.Treść badań
Synteza funkcjonalnych monomerów NCA i kopolimerów polipeptydowych. Zsyntetyzuj pięć aminokwasowych monomerów NCA (EG₂-Glu-NCA, DOPA-NCA, Arg-NCA, Cys-NCA, Ac-Lys-NCA); przygotuj cztery kopolimery gradientowe (BPED, BPEDA, BPEDAC, BPEDAL) poprzez sekwencyjną polimeryzację z otwarciem pierścienia inicjowaną alkoholanem 1,4-butanodiolu jako inicjatorem. Scharakteryzuj masę cząsteczkową, dyspersję za pomocą GPC i rozpraszania światła laserowego oraz potwierdź strukturę chemiczną za pomocą ¹H NMR.
Ocena właściwości termoczułych i powierzchniowych Testowanie krzywych przepuszczalności temperatury w celu weryfikacji zachowania przejścia sol-żel; pomiar kątów zwilżenia wodą w temperaturach 25 °C i 37 °C w celu analizy zależnej od temperatury transformacji hydrofilowo-hydrofobowej.
Badanie przyczepności in vitro Postępuj zgodnie z normami ASTM przy wykonywaniu badań przyczepności ścinającej na skórze świni oraz przyczepności rozciągającej na kości świni; zoptymalizuj stężenia środków sieciujących HRP/H₂O₂, czas i temperaturę utwardzania; przetestuj moduł sprężystości każdego układu polipeptydowego.
Ocena degradacji i cytotoksyczności Przeprowadź eksperyment degradacji enzymatycznej PBS w celu zarejestrowania szybkości utraty masy; zastosuj test MTT zgodny z normą ISO10993 z fibroblastami L929 w celu oceny biozgodności.
Walidacja modelu zwierzęcego in vivo Opracowano trzy modele zwierzęce: model hemostazy krwotoku z wątroby szczura, model gojenia się nacięcia skóry na całej grubości oraz model naprawy kości po osteotomii kości udowej; rejestrują one utratę krwi, stan zapalny rany, przebudowę tkanek za pomocą promieni rentgenowskich i barwienia histologicznego H&E.
4.Wyniki badań
Synteza polimerów i właściwości termoreaktywne. Udało się zsyntetyzować cztery kopolimery o kontrolowanych proporcjach inkorporacji monomerów. Wszystkie polimery wykazują ostre przejście sol-żel w temperaturze 30–35°C; kąt zwilżania wzrasta z 27,5°C (25°C) do 72,5°C (37°C), co świadczy o osłabionej hydrofilowości w temperaturze ciała, co sprzyja szybkiemu tworzeniu żelu.
Wyjątkowa przyczepność na mokro
Maksymalna wytrzymałość na ścinanie skóry świńskiej osiąga 101,2 kPa; wytrzymałość na rozciąganie kości osiąga szczyt przy 603 kPa.
Temperatura 37 °C znacznie zwiększa wytrzymałość wiązania w porównaniu z temperaturą pokojową; hybrydowy system BPEDAC-BPEDAL zapewnia optymalne właściwości mechaniczne dzięki synergistycznemu usieciowaniu grup katecholowych, tiolowych i guanidyniowych.
Wytrzymałość adhezyjna wzrasta szybko w ciągu 0,5–60 minut utwardzania i osiąga plateau po 12 godzinach; odpowiednie stężenie 1% wag. H₂O₂ i 1 mg/ml HRP pozwala na osiągnięcie idealnego usieciowania oksydacyjnego bez uszkodzeń spowodowanych nadmiernym utlenianiem.
Korzystna degradowalność i bezpieczeństwo biologiczne: BPEDAC traci ponad 70% masy w ciągu 72 godzin pod wpływem PBS zawierającego proteazę, co świadczy o pełnej biodegradacji polipeptydu. Wyniki MTT wskazują na ponad 80% żywotności komórek po 72 godzinach inkubacji, bez widocznych uszkodzeń morfologicznych, co wskazuje na znikomą cytotoksyczność.
Lepszy efekt hemostazy i naprawy in vivo
Model krwotoku wątrobowego: BPEDAC-BPEDAL redukuje utratę krwi z 1,76 g (grupa kontrolna) do 0,54 g w ciągu 3 minut, zapewniając natychmiastowe uszczelnienie żelowe.
Nacięcie skóry: Klej polipeptydowy wywołuje łagodny stan zapalny jedynie 7. dnia, po czym następuje całkowita regeneracja skóry właściwej i brak zwłóknienia 14. dnia, co przewyższa szwy i cyjanoakrylan, które wywołują utrzymującą się zapalną hiperkeratozę.
Osteotomia kości: zdjęcie rentgenowskie i badanie histologiczne wykazują całkowitą przebudowę kości w ciągu 60 dni; klej nie utrudnia proliferacji osteoblastów i przebudowy beleczkowania.
5.Dyskusja
W porównaniu z tradycyjnymi klejami tkankowymi, termoreaktywne polipeptydy inspirowane małżami integrują wiele motywów funkcjonalnych, aby realizować mechanizmy adhezji wielosieciowej, w tym sprzęganie katecholowe, klik tiolowo-enowy, elektrostatyczne mostki solne i termiczną separację faz, które wspólnie zwiększają wytrzymałość wiązania na mokro na tkankach miękkich i twardych. Segment EG₂-Glu zapewnia odwracalną przemianę sol-żel w temperaturze fizjologicznej, umożliwiając minimalnie inwazyjne wstrzykiwanie in situ i natychmiastowe uszczelnienie rany bez wstępnego wiązania. W pełni polipeptydowy szkielet zapewnia całkowitą biodegradację do fragmentów aminokwasów o niskiej toksyczności systemowej, rozwiązując problem biozgodności cyjanoakrylanu. Nadal istnieją ograniczenia: proces syntezy wielu monomerów NCA wymaga ścisłej obróbki bezwodnej, co ogranicza wytwarzanie na dużą skalę w przemyśle. Przyszła optymalizacja może uprościć procesy polimeryzacji i wprowadzić tanie naturalne surowce aminokwasowe. Jednocześnie dalsza modyfikacja łańcuchów bocznych polipeptydów zwiększy aktywność przeciwbakteryjną, umożliwiając tworzenie zintegrowanych, adhezyjno-hemostatyczno-antybakteryjnych, wielofunkcyjnych biomateriałów do szerszych zastosowań klinicznych, takich jak chirurgia minimalnie inwazyjna i leczenie ran oparzeniowych. Ogólnie rzecz biorąc, ta seria termoreaktywnych polipeptydów przełamuje wąskie gardło wydajności istniejących bioadhezyjnych materiałów i posiada duży potencjał komercyjny jako bezszwowe materiały do naprawy chirurgicznej.
Odniesienie: Lu DD, Wang HS, Li TE i in. Uniwersalne materiały chirurgiczne klejące i hemostatyczne: synteza, właściwości i zastosowanie polipeptydów termoreaktywnych [J]. Chemia materiałów, właśnie zaakceptowana, opublikowano online 13.06.2017 r. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00255.
Adres e-mail: jennifer@dilunbio.com