【前沿摘要】
《自然·材料觀點》有一篇有趣的報導『『Moving hydrogels to the fourth dimension』 』，作者是賓夕法尼亞大學Jonathan H. Galarraga 博士和 Jason A. Burdick教授。
隨著新材料化學和加工技術的進步，生物材料在過去的幾十年中已經從靜態和初始化演變為動態且具有啟發性。這種演變包括三維材料的發展，這種三維材料會轉化時間的變化而變化-第四維度-例如具有感知外部或固有信號（例如光和酶）的刺激響應材料，從記憶體還原的形狀記憶聚合物。臨時的到永久的形狀，或可降解的材料，其性能隨物質侵蝕而變化。水凝膠或水溶脹的聚合物網絡在生物醫學領域特別受關注，因為它們可以包裹細胞，並且可以通過模擬天然細胞外基質（ECM）特徵的大量信號進行工程然而，通過這種控制來操縱重要的替代蛋白質的技術的發展一直具有挑戰性。自然材料的一種方法是將蛋白質摻入水凝膠而不會損害其生物活性，這樣就可以以時空精度和亞細胞解析度調節其向包囊細胞的呈遞。
諸如形態發生，組織發育和疾病進展等生物學過程非常複雜，並且細胞從周圍環境接收大量時空生化和生物物理信號來控制其行為。眾所周知，細胞受其微環境中信號的影響，例如蛋白質，小分子，ECM機制以及與鄰近細胞的通訊。期望使用包含此類信號的水凝膠用於體外平臺，以更好地理解這些過程中的生物信號，或控制細胞行為以實現翻譯療法的設計（例如組織工程）。已經出現了多種技術來控制這些信號並將所需的異質性引入材料中，例如進行光致圖案化以通過空間控制，引入配體或進行光降解反應以隨著時間的推移軟化水凝膠。控制全長蛋白的工作少得多，可能是由於它們在整個加工過程中維持功能的複雜性增加了。但是，有一些例子，其中依次使用光致圖案化將多種蛋白質引入水凝膠，或者使用生物正交光化學法將蛋白質引入水凝膠然後從水凝膠中釋放出來。
傳統上，將蛋白質摻入水凝膠依賴於簡單連接基團的隨機安裝，這是一種非特異性過程，通常會減弱蛋白質的生物活性和穩定性。DeForest及其同事報導了使用分選酶標籤增強的蛋白質連接（STEPL）以精確且位點特異性的方式修飾具有連接基團的目標蛋白質，使其能夠進行光模式化成基於聚乙二醇（PEG）的形式水凝膠。在金黃色葡萄球菌中發現的分選酶A具有介導轉肽作用的能力，該過程是一個或多個胺基酸殘基在兩個不同的肽之間轉移的過程。DeForest及其同事利用重組技術利用STEPL將包含多種具有材料反應性手柄的可定製肽探針連接到目標蛋白質上，從而開發了包含螢光蛋白質，酶和生長因子的修飾蛋白質文庫。至關重要的是，這些蛋白質保留了天然的生物活性，同時還具有裝飾材料所需的功能。
有了這些修飾的蛋白質，DeForest及其同事使用環加成反應將它們摻入PEG水凝膠中，然後進行凝膠化，然後使用光介導的肟連接，通過空間控制將其固定化。摻入的蛋白質可隨後通過鄰硝基苄基酯化學作用而釋放。蛋白質連接和釋放的過程可以在任意四維空間中依次重複（圖1）。結果表明，可以對β-內醯胺酶（一種模型酶）進行光圖案化，以優先定位水凝膠中的酶活性。生長因子，包括表皮生長因子和成纖維細胞生長因子，也在水凝膠中形成圖案，隨後在光照射下釋放，從而可以暫時控制細胞攝取和下遊反應。這些例子說明了水凝膠中對活性蛋白呈遞的前所未有的時空控制。
圖1：水凝膠中分選酶標籤增強的蛋白質連接（STEPL）修飾的蛋白質的光圖案化和光釋放。首先，通過分選酶A介導的轉肽作用，用接頭官能團修飾感興趣的全長蛋白質。此後，蛋白質在光照射下被固定在聚合物網絡中，隨後可以使用其他化學方法將其光釋放。可以重複這些步驟，以在單個水凝膠中控制多種蛋白質的添加和釋放，從而對蛋白質呈遞給細胞提供時空控制。
【總結討論】
儘管提出的方法總體上很優雅，但潛在的挑戰仍然是它的複雜性，因為專業技術（例如，多光子雷射掃描光刻）以及小分子和肽合成，蛋白質工程和應用光化學方面的專業知識很少出現。單個實驗室。這種複雜性限制了生物學家的可及性，而生物學家將從這些先進技術中受益最大，並且有可能挫敗業界對翻譯材料的追求，而翻譯材料往往要求簡單性而非複雜性。此外，儘管通過基於正交光的反應對STEPL修飾的蛋白質進行模式化和釋放的能力有望模仿ECM中觀察到的蛋白質的動態表達，但這種方法所需的相對緩慢的擴散過程可能無法捕獲許多相關的時間尺度，內源性信號事件和細胞可能已經通過蛋白質沉積隨時間改變其自身環境。這些局限性可能會隨著所用化學方法的發展，試劑的商業化以及對該技術的進一步探索而得到克服。
看到這項新技術所帶來的創新將非常令人興奮，因為現在可以對水凝膠中蛋白質的呈現進行「自上而下」的控制，從而解決複雜的生物學問題並改變細胞行為，尤其是在三維環境中環境。可以利用這種技術來匹配細胞信號傳遞的複雜性（通過時間分子控制）和細胞結構的異質性（通過空間控制）的生物學問題和應用是無止境的。
參考文獻：
doi.org/10.1038/s41563-019-0384-6
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