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  蛋白、細胞、血小板和微生物等在生物材料表面的粘附無處不在，尤其蛋白在植入體/傳感器表面的非特異性吸附造成的異物反應(yīng)和纖維包裹可導(dǎo)致病人疼痛，組織變形甚至植入體功能喪失，嚴重制約植入材料/裝置的發(fā)展和功能發(fā)揮。聚乙二醇（PEG）是具有代表性和廣泛應(yīng)用的抗粘附材料，但越來越多的研究表明PEG存在超出我們通常認知的免疫原性和植入異物反應(yīng)，且在體內(nèi)容易被氧化降解。因此，近年來這一領(lǐng)域?qū)W者一直在努力研究可能替代PEG的抗粘附材料，但是僅有以兩性離子聚合物為代表的極少抗粘附材料展示了抵制植入異物反應(yīng)的可行性。劉潤輝教授課題組成立以來，針對植入生物材料這一艱巨挑戰(zhàn)和涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究。

  近日，劉潤輝教授課題組報道受蠶絲蛋白啟發(fā)，設(shè)計獲得了結(jié)構(gòu)簡單、生物相容性好、體內(nèi)穩(wěn)定的一類新的抗粘附和抗植入異物反應(yīng)高分子材料?聚β-絲氨酸。該研究成果以題為“Silk-inspired β-peptide Materials Resist Fouling and the Foreign-body Response” 發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)，并被評審專家評價為該期刊發(fā)表論文總數(shù)的前10%的論文。

  蠶絲具有較低的免疫原性，其外層由絲膠蛋白組成，含有高達34%的絲氨酸組分。這啟發(fā)作者設(shè)計、合成了聚β-絲氨酸（β-HS）以獲得低免疫原性和植入異物反應(yīng)的新材料，其中巧妙通過β氨基酸來替代α氨基酸以獲得材料更好的抗蛋白酶水解能力和體內(nèi)穩(wěn)定性（圖1）。 

圖1. Design of silk sericin inspired β-HS with low fouling and low foreign-body response. (a) Silkworm cocoons of Bombyx mori. (b) SEM image of natural silk that contains sericin outside and fibroin inside (Image adapted with permission from Hiroshima University). (c) Amino acid component of sericin contains 45% hydroxylic amino acid including 34% serine, which is the most abundant amino acid in sericin. (d) The design of low fouling and low FBR β-HS composed of racemic β-homoserine that is inspired by the abundant serine within sericin. (e) β-HS materials effectively resist biofouling and foreign-body response.

  由于異物反應(yīng)的根本原因是蛋白在植入材料表面的吸附，該論文首先制備5種不同鏈長β-HS表面自組裝單分子層（SAM）作為表面研究模型。經(jīng)β-HS修飾后金表面接觸角從72°降低到6°，達到超親水的特點。通過高靈敏度的表面等離子共振（SPR）測試了幾種典型蛋白在β-HS表面的吸附量，包括：具有負電性且體積較大的纖維蛋白原（Fg），具有正電性且體積較小的溶菌酶（Lyz）和牛血漿中含量最多的牛血清白蛋白（BSA）。以烷基硫醇SAM作為對照組，并以高效抗粘附OEG6 SAM作為比較發(fā)現(xiàn)：對照組、OEG6和β-HS表面上，F(xiàn)g的吸附分別為487.6，0.8和0.3 ng /cm²；Lyz的吸附分別為~112.4，~0.2和~0.2 ng / cm²; BSA的吸附分別為~78.4，~0.5和~0.7 ng / cm²（圖2a-c）。這些結(jié)果展示了單一蛋白在β-HS表面幾乎沒有吸附。

  作者進一步研究了10％血清和100％血清在β-HS表面的吸附量，分別僅為~1.4和~1.6 ng/cm²，可與OEG6 SAM（~0.5和~2.5 ng/cm²）相媲美（圖2d，e）。即使同一表面連續(xù)依次接觸Fg，Lyz，BSA，10％的血清和100％血清樣品，β-HS表面的總蛋白質(zhì)吸附量僅為~2.5 ng/cm²，媲美OEG6 SAM ~3.3 ng/cm²的吸附量（圖2f）。以上研究突出了β-HS突出的抗蛋白吸附性能。

  除了蛋白外，細胞，血小板和微生物的粘附也是引起炎癥和異物反應(yīng)的因素，因此作者繼續(xù)嘗試它們在β-HS修飾表面的粘附。結(jié)果展示，β-HS能在SAM表面穩(wěn)定期內(nèi)（7天）高效抵制細胞、血小板、真菌和細菌（革蘭氏陽性和陰性細菌）的粘附（圖2g-p）。

圖2. β-HS SAMs resist protein adsorption as well as cell, platelet, and microbe adhesion. SPR sensorgrams of protein solutions and serum flowing over the SAMs: (a) Fibrinogen (Fg, 340 kDa, pI 5.5) is a large, blood plasma protein that strongly adsorbs to hydrophobic surfaces that is commonly used as a model for sticky serum proteins. (b) Lysozyme (Lyz, 14 kDa, pI 11.0) is a small, positively charged protein often used as a model for electrostatic interactions of proteins with surfaces. (c) Bovine serum albumin (BSA, 66.4 kDa, pI 4.7) is the negatively charged and most abundant protein in the bovine plasma (～65%). (d) 10% serum. (e) 100% serum, which comprises a large diversity of proteins and other biomolecules. (f) Challenge of the antifouling surfaces with Fg, Lyz, BSA, 10% serum, and serum sequentially. Fluorescence micrographs and SEM images of surface biofouling from cell and microbes: (g) Fibroblast cell. (h) Platelet. (i) C. albicans. (j) S. aureus. (k) P. aeruginosa. Quantitative analysis on surface attachment of: (l) Fibroblast cell. (m) Platelet, n.d. represents not detected. (n) C. albicans. (o) S. aureus. (p) P. aeruginosa.

  作者制備了β-HS水凝膠植入小鼠皮下，并與PEG水凝膠作對比，研究植入可能帶來的異物反應(yīng)（圖3a）。論文評估了植入小鼠后1周的炎癥反應(yīng)，巨噬細胞密度和水凝膠周圍組織中的膠原密度（圖3b）。H&E染色顯示PEG水凝膠周圍有明顯的炎癥，而β-HS水凝膠周圍的炎癥反應(yīng)較低；F4/80染色顯示在PEG水凝膠周圍的組織中有大量的巨噬細胞，而在β-HS水凝膠周圍的組織中則觀察到了明顯較少的巨噬細胞；Masson染色顯示，PEG水凝膠周圍存在較厚的膠原，而β-HS水凝膠周圍沒有致密的膠原。

  植入4周后，PEG水凝膠被高密度的無血管膠原層包裹，而 β-HS水凝膠的周圍組織的膠原密度較低（圖3c，d）。值得注意的是，組織學(xué)切片中可以看到在β-HS周圍的組織中發(fā)現(xiàn)了大量呈現(xiàn)紅細胞的新血管，而PEG水凝膠周圍則很少。這種血管生成也通過內(nèi)皮細胞的CD31染色得到證實（圖3e）。經(jīng)過統(tǒng)計，PEG和β-HS水凝膠周圍組織的血管密度分別為22和148個/mm²（圖3f）。論文還評估了水凝膠在植入后3個月的長期影響，發(fā)現(xiàn)PEG水凝膠依然被一層致密的膠原包裹，而β-HS水凝膠仍能有效抵抗異物反應(yīng)，依然保持開放的膠原蛋白結(jié)構(gòu)，沒有膠原包囊。（圖3g）。

圖3. Hydrogel synthesis and evaluation of FBR for hydrogels implanted in mice. (a) Synthesis and gelation of β-HS precursor (β-HSDA) polymers to generate hydrogels, which were implanted subcutaneously into the backs of C57BL/6 mice. (b) Histological analysis after 1 week of implantation: H&E, hematoxylin & eosin, nuclei were stained blue and the cell cytoplasm was stained pink; F4/80, macrophage marker stained in brown; M&T, Masson’s trichrome, collagen was stained in blue, nuclei was stained in black, and the cytoplasm was stained in red to evaluate collagen deposition. (c) Masson’s trichrome staining to evaluate collagen encapsulation (red arrows) and visualized blood vessels (black arrows) after implantation for 4 weeks. (d) Collagen density within 100 μm (at 10-μm steps) of the hydrogel-tissue interface after implantation for 4 weeks. (e) Visualization of blood vessels (red fluorescence), via immune-staining with the endothelial cells marker CD31, in tissues surrounding hydrogels after 4 weeks of implantation. (f) quantified blood vessel density in tissues surrounding hydrogels after 4 weeks of implantation. (g) Masson’s trichrome staining to evaluate collagen encapsulation (red arrows) after implantation for 3 months. *P<0.01; **P<0.001, using one-way ANOVA with Tukey’s post-test.

  作者提出假設(shè)認為β-HS優(yōu)異的抗粘附和抗植入異物反應(yīng)源自β-氨基酸聚合物結(jié)構(gòu)中的“雙重氫鍵水化”：骨架中的酰胺基團和側(cè)鏈羥基基團各自的氫鍵水化作用。作者通過計算模擬對這一假設(shè)做了驗證（圖4），溶劑化自由能結(jié)果展示了β-HS相對于OEG6具有更高的水化作用，徑向分布函數(shù)揭示了表面β-HS與水之間存在兩類強氫鍵相互作用，分別存在與主鏈的酰胺基團和側(cè)鏈的羥基。作者還計算了β-HS和OEG6 的SAM與水分子之間的氫鍵數(shù)量，OEG6 SAM僅頂層羥基與水形成氫鍵，并且平均每個只有0.56個氫鍵；而β-HS SAM的表層五個單元酰胺鍵和羥基的氫鍵平均數(shù)分別為1.88和3.04， β-HS的總平均氫鍵數(shù)是OEG6的8.8倍。此外，計算模擬顯示溶菌酶與β-HS SAM表面之間的平均距離為3.57 nm，該值高于OEG6 SAM的2.53 nm，再次從模擬的角度驗證了β-HS 突出的抵抗蛋白質(zhì)吸附性能。

圖 4. Molecular simulations exploring the mechanisms underlying β-HS''s strong antifouling and anti-FBR performance. (a) Hydration free energy of OEG6 and β-HS. (b) Radial distribution functions between water molecules and the atoms of β-HS (the oxygen atoms in the hydroxyl and carbonyl groups, respectively, and the nitrogen atom). (c) Snapshot of β-HS in aqueous solution, the hydrogen bonding waters near both the backbone amide groups and the side chain hydroxyl groups. (d) The average number of hydrogen bonds (HB) between the SAM and water molecules. (e) Distance between the protein (mass center) and the SAM surface of OEG6 and β-HS. (f) Snapshot of lysozyme on the OEG6 and β-HS SAM, with explicit water molecules.

  受蠶絲蛋白啟發(fā)設(shè)計發(fā)現(xiàn)的聚β-絲氨酸作為一類新的抗粘附和抗植入異物反應(yīng)高分子材料，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、生物相容性好、體內(nèi)穩(wěn)定的突出優(yōu)點，顯示了在植入材料、裝置和藥物遞送等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

  該論文的第一作者為華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生張東輝，華東理工大學(xué)劉潤輝教授是唯一通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等基金的資助。

  論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202000416