ペプチド両親媒性物質

ペプチド両親媒性物質（PA）は、球状ミセル、ねじれリボン、高アスペクト比ナノファイバーなどの超分子ナノ構造に自己組織化するペプチドベースの分子です。^{[1] [2]}ペプチド両親媒性物質は通常、脂質テール、つまり10〜16個の炭素を持つ疎水性アルキル鎖に結合した親水性ペプチド配列で構成されています。^{[3]したがって、それらは}リポペプチドの一種と考えることができます。^[1]特殊なタイプのPAは、RADA16-Iなどの繰り返しパターンで、荷電残基と中性残基が交互に配置されて構成されています。^{[1] PAは1990年代から2000年代初頭に開発され、ナノキャリア、ナノドラッグ、イメージング剤など、さまざまな医療分野で使用できます。ただし、おそらくその主な可能性は、}細胞と成長因子を培養して送達する再生医療にあります。 ^[4]

ペプチド両親媒性物質は 1990 年代に開発されました。これらは1995 年にMatthew Tirrellのグループによって初めて説明されました。 ^{[5] [6]}最初に報告された PA 分子は 2 つのドメインで構成されていました。1 つは親油性、もう 1 つは親水性で、親油性ドメインが溶媒から離れて会合し (疎水効果)、その結果、球状の超分子構造に自己組織化することができ、ナノ構造のコアが形成されました。親水性残基が水にさらされ、可溶性のナノ構造が生じます。

2000 年代初頭、サミュエル・I・スタップの研究室でハートゲリンクらが行った研究では、自己組織化して細長いナノ構造を形成する新しいタイプの PA が報告されました。これらの新しい PA には、疎水性テール、ベータシート形成アミノ酸の領域、分子が水に溶けるように設計された荷電ペプチドエピトープという 3 つの領域が含まれています。 ^{[7] [8]}さらに、PA には標的化またはシグナル伝達エピトープが含まれている場合があり、これにより形成されたナノ構造は生体システムと相互作用して標的化またはシグナル伝達のいずれかの生物学的機能を発揮できます。^{[9] [10]}これらの PA の自己組織化メカニズムは、ベータシート形成アミノ酸間の水素結合とテールの疎水性崩壊の組み合わせで、円筒状のミセルが形成され、ナノファイバー表面にペプチドエピトープが極めて高密度で提示されます。 pH を変えたり、対イオンを加えて繊維の帯電表面を遮蔽することで、ゲルを形成できます。ペプチド両親媒性溶液を体内に注入すると、生理溶液中の対イオンの存在により、その場でゲルが形成されることがわかっています。このことは、材料の完全な生分解性と相まって、 in vitroおよびin vivo療法における多数の用途を示唆しています。

自己組織化分子のほとんどは両親媒性であり、疎水性と親水性の両方の特性を持っています。ペプチド両親媒性物質は、疎水性ペプチド配列と親水性ペプチド配列、または疎水性基（通常はアルキル鎖）が結合した親水性ペプチドのいずれかで構成される分子のクラスです。ペプチド両親媒性物質の構造には、4つの主要なドメインがあります。まず、疎水性セクション（通常はアルキル鎖）があります。次に、分子間水素結合を形成するペプチド配列があります。3番目に、ペプチドの水溶性を高めるための荷電アミノ酸残基のセクションがあります。最後の構造的特徴により、ペプチドは生体分子、細胞、またはタンパク質と相互作用することができ、これは多くの場合、エピトープ（免疫系によって認識される抗原の一部）を介して行われます。^[11]

他の両親媒性分子と同様に、臨界凝集濃度を超えると、ペプチド両親媒性分子は非共有結合性相互作用を介して会合し、ナノメートルからミクロンまでのさまざまなサイズの秩序だったアセンブリを形成します。^[12]極性要素と非極性要素の両方を含む分子は、凝集によって水性環境との不利な相互作用を最小限に抑え、親水性部分を水性環境にさらし、疎水性部分を保護します。凝集が発生すると、濃度、pH、温度、形状などの多くのパラメーターに応じて、さまざまなアセンブリが形成されます。形成されるアセンブリは、ミセルから、小胞などの二重層構造、さらには原繊維やゲルにまで及びます。^[13]

ミセルは、疎水性の内核と、溶媒にさらされる親水性の外殻で構成され、その構造は球状、円盤状、または虫のような集合体になります。^[14]ミセルは、濃度が臨界ミセル濃度と温度を超えると自然に形成されます。^[15]中程度の疎水性を持つ両親媒性物質は、二重層小胞に集合することを好む。小胞は、水性コアを取り囲む球状の中空の層状構造です。疎水性部分は内側を向いて二重層の内側部分を形成し、親水性部分は内側と外側の表面で水性環境にさらされます。ミセル構造は、疎水性の内部と親水性の外部を持っています。^[16]

通常、ペプチドの両親媒性特性とその機能の間には明確な関係があり、両親媒性特性が自己組織化特性を決定し、これがペプチドに機能性を与えるものです。両親媒性のレベルはペプチドとタンパク質で大幅に異なる可能性があり、そのためそれらは疎水性または親水性のいずれかの性質を持つ領域を示すことができます。その一例はαヘリックスの円筒構造で、円筒の片面に沿って疎水性残基のセクションと、円筒の反対側の面に親水性残基のセクションを含めることができます。βシート構造の場合、ペプチド鎖は親水性残基と疎水性残基が交互に構成され、残基の側鎖がシートの反対側の面に表示されます。^[17]細胞膜では、ペプチドはヘリックスとシートに折り畳まれ、非極性残基が膜内部と相互作用し、極性残基が水性環境にさらされます。この自己組織化により、ペプチドは周囲との相互作用をさらに最適化できるようになります。

ペプチド両親媒性物質は生物医学的用途で非常に有用であり、膜を越えて特定の部位に薬剤を輸送することにより、疾患を治療するための治療薬として利用することができる。その後、脂質とアミノ酸に代謝され、腎臓で容易に除去される。^[18]これは、疎水性末端が細胞膜を通過できるため、ペプチドエピトープがリガンド受容体複合体によって特定の細胞を標的とすることができるためである。^[19]ペプチド両親媒性物質の他の用途としては、抗菌剤、スキンケア、化粧品、遺伝子送達などが挙げられる。^[20]

化学のモジュール性により、結果として得られる自己組織化繊維およびゲルの機械的特性と生物活性の両方を調整できます。生物活性配列を使用して、成長因子を結合し、それらを高密度で細胞に局在させて提示したり、内因性生体分子の機能を直接模倣したりできます。フィブロネクチンの接着性RGD ループを模倣したエピトープ、ラミニンのIKVAV 配列、およびヘパリン硫酸塩に結合するコンセンサス配列は、合成された配列の大規模なライブラリのほんの一部です。これらの分子とそれらから作成された材料は、細胞接着、創傷治癒、骨の石灰化、細胞の分化、さらにはマウスの脊髄損傷後の機能回復を促進するのに効果的であることが示されています。

これに加えて、ペプチド両親媒性物質は、必要に応じて調整できるより洗練された構造を形成するために使用できます。近年、2 つの発見により、より高度な構造と潜在的な用途を持つ生体活性材料が生まれました。1 つの研究では、ペプチド両親媒性物質溶液の熱処理により、材料に大きな複屈折ドメインが形成され、弱いせん断力によって整列したナノファイバーの 1 つの連続したモノドメイン ゲルに整列できました。材料を整列させるために使用される低せん断力により、これらの整列したゲル内に生細胞をカプセル化することができ、機能のために細胞の極性と整列に依存する組織の再生におけるいくつかの用途が示唆されています。別の研究では、正に帯電したペプチド両親媒性物質と負に帯電した長いバイオポリマーの組み合わせにより、階層的に整列した膜が形成されました。2 つの溶液を接触させると、各溶液の成分間の静電的錯体形成により、溶液の混合を防ぐ拡散バリアが生成されます。時間の経過とともに、浸透圧の差によってポリマー鎖が拡散障壁を通過してペプチド両親媒性物質区画に折り畳まれ、時間の経過とともに成長する界面に対して垂直な繊維の形成につながります。これらの材料は、1 つの溶液をもう 1 つの溶液に滴下することで、平らな膜または球状の袋の形で作ることができます。これらの材料は機械的に取り扱うのに十分な強度があり、成長条件と時間を変更することでさまざまな機械的特性を得ることができます。生物活性ペプチド両親媒性物質を組み込み、細胞と生体分子をカプセル化することができ、生体適合性と生分解性を備えています。

• 生体模倣材料
• ハイドロゲル

 この記事には、CC BY-SA 3.0 ライセンスの下で利用可能な Jessica Hutchinson によるテキストが組み込まれています。