科学家们使用分子系链 化学“光剑”进行组织工程

组织工程可以改变医学。科学家们不必等待我们的身体在受伤或疾病后再生或修复损伤,而是可以在实验室中培养复杂,功能齐全的组织,以便移植到患者体内。

蛋白质是这个未来的关键。在我们的身体中,蛋白质信号告诉细胞去哪里,何时分裂以及做什么。在实验室中,科学家们将蛋白质用于同一目的 - 将蛋白质置于工程支架上或工程支架内的特定位置,然后使用这些蛋白质信号来控制细胞迁移,分裂和分化。

但这些环境中的蛋白质也很脆弱。为了让他们坚持使用支架,研究人员传统上使用化学方法修饰蛋白质,这些化学物质杀死了超过90%的功能。在5月20日发表在“自然材料”杂志上的一篇论文中,来自华盛顿大学的一组研究人员公布了一项新策略,通过在特定点对其进行修饰来保持蛋白质完整和功能,以便它们可以通过光线化学束缚在支架上。 。由于系绳也可以通过激光切割,因此该方法可以在整个生物材料支架中产生信号蛋白的进化模式,以生长由不同类型的细胞组成的组织。

“蛋白质是生物信息的最终传播者,”相应的作者Cole DeForest说,他是化学工程和生物工程的华盛顿大学助理教授,也是华盛顿大学干细胞与再生医学研究所的附属研究员。“他们几乎驱动细胞功能的所有变化 - 分化,运动,成长,死亡。”

出于这个原因,科学家长期以来一直使用蛋白质来控制组织工程中的细胞生长和分化。

“但是社区最常用的将蛋白质与材料结合的化学物质,包括用于组织工程的支架,破坏了它们绝大多数的功能,”DeForest说,他也是威斯康星大学分子与工程科学研究所的教员。“从历史上看,研究人员试图通过简单地用蛋白质过载支架来弥补这一点,因为他们知道大多数蛋白质都是不活跃的。在这里,我们提出了一种通用的方法,用蛋白质可逆地功能化生物材料,同时保留其全部活性。 “

他们的方法使用一种叫做分选酶的酶,它可以在许多细菌中发现,在特定位置为每个信号蛋白添加一个短的合成肽:C-末端,每个蛋白质上都存在一个位点。该团队设计了这种肽,使其能够将信号蛋白连接到组织工程中常见的充满液体的生物材料支架中的特定位置,称为水凝胶。

针对信号蛋白的单一位点是UW团队的方法之一。其他方法通过将化学基团连接到随机位置来修饰信号蛋白,这通常会破坏蛋白质的功能。根据DeForest的说法,仅修改蛋白质的C末端就不太可能破坏其功能。该团队对六种以上不同类型的蛋白质进行了测试。结果表明,修饰C-末端对蛋白质功能没有显着影响,并成功地将蛋白质束缚在整个水凝胶中。

他们的方法类似于将一块框架艺术挂在墙上。它们不是通过玻璃,帆布和框架随意敲击钉子,而是在每个框架的背面串起一根钢丝,将其挂在墙上。

另外,可以通过暴露于聚焦激光来切割系绳,从而引起蛋白质的“光致释放”。使用这种科学的光剑允许研究人员加载具有许多不同类型蛋白质信号的水凝胶,然后将水凝胶暴露于激光以从水凝胶的某些部分中除去蛋白质。通过选择性地仅将部分材料暴露于激光,该团队控制蛋白质信号将保持与水凝胶束缚的位置。

去蛋白质在水凝胶中是有用的,因为细胞可以接收这些信号,将它们带入细胞内部,在那里它们可以影响基因表达等过程。

DeForest的团队使用含有表皮生长因子(一种蛋白质信号)的水凝胶测试了光致分离过程。他们将人细胞系引入​​水凝胶中,并观察到与细胞膜结合的生长因子。该团队使用一束激光来消除单个细胞一侧的蛋白质信号,而不是另一侧的蛋白质信号。在细胞的束缚侧,蛋白质停留在细胞外,因为它们仍然粘附在水凝胶上。在不受束缚的一侧,蛋白质信号被细胞内化。

“基于我们如何定位激光,我们可以确保不同的细胞 - 甚至单个细胞的不同部分 - 正在接收不同的环境信号,”DeForest说。

DeForest补充说,单细胞内这种独特的精确度不仅有助于组织工程,还有细胞生物学的基础研究。例如,研究人员可以利用这个平台研究活细胞如何响应多种蛋白质信号组合。这一系列研究将帮助科学家了解蛋白质信号如何协同工作以控制细胞分化,治愈病变组织并促进人类发育。

“这个平台使我们能够精确控制生物活性蛋白信号何时何地呈现给材料中的细胞,”DeForest说。“这为组织工程和治疗研究中的许多激动人心的应用打开了大门。”