【前沿摘要】
《自然·材料观点》有一篇有趣的报道‘‘Moving hydrogels to the fourth dimension’ ’，作者是宾夕法尼亚大学Jonathan H. Galarraga 博士和 Jason A. Burdick教授。
随着新材料化学和加工技术的进步，生物材料在过去的几十年中已经从静态和初始化演变为动态且具有启发性。这种演变包括三维材料的发展，这种三维材料会转化时间的变化而变化-第四维度-例如具有感知外部或固有信号（例如光和酶）的刺激响应材料，从记忆体还原的形状记忆聚合物。临时的到永久的形状，或可降解的材料，其性能随物质侵蚀而变化。水凝胶或水溶胀的聚合物网络在生物医学领域特别受关注，因为它们可以包裹细胞，并且可以通过模拟天然细胞外基质（ECM）特征的大量信号进行工程然而，通过这种控制来操纵重要的替代蛋白质的技术的发展一直具有挑战性。自然材料的一种方法是将蛋白质掺入水凝胶而不会损害其生物活性，这样就可以以时空精度和亚细胞分辨率调节其向包囊细胞的呈递。
诸如形态发生，组织发育和疾病进展等生物学过程非常复杂，并且细胞从周围环境接收大量时空生化和生物物理信号来控制其行为。众所周知，细胞受其微环境中信号的影响，例如蛋白质，小分子，ECM机制以及与邻近细胞的通讯。期望使用包含此类信号的水凝胶用于体外平台，以更好地理解这些过程中的生物信号，或控制细胞行为以实现翻译疗法的设计（例如组织工程）。已经出现了多种技术来控制这些信号并将所需的异质性引入材料中，例如进行光致图案化以通过空间控制，引入配体或进行光降解反应以随着时间的推移软化水凝胶。控制全长蛋白的工作少得多，可能是由于它们在整个加工过程中维持功能的复杂性增加了。但是，有一些例子，其中依次使用光致图案化将多种蛋白质引入水凝胶，或者使用生物正交光化学法将蛋白质引入水凝胶然后从水凝胶中释放出来。
传统上，将蛋白质掺入水凝胶依赖于简单连接基团的随机安装，这是一种非特异性过程，通常会减弱蛋白质的生物活性和稳定性。DeForest及其同事报道了使用分选酶标签增强的蛋白质连接（STEPL）以精确且位点特异性的方式修饰具有连接基团的目标蛋白质，使其能够进行光模式化成基于聚乙二醇（PEG）的形式水凝胶。在金黄色葡萄球菌中发现的分选酶A具有介导转肽作用的能力，该过程是一个或多个氨基酸残基在两个不同的肽之间转移的过程。DeForest及其同事利用重组技术利用STEPL将包含多种具有材料反应性手柄的可定制肽探针连接到目标蛋白质上，从而开发了包含荧光蛋白质，酶和生长因子的修饰蛋白质文库。至关重要的是，这些蛋白质保留了天然的生物活性，同时还具有装饰材料所需的功能。
有了这些修饰的蛋白质，DeForest及其同事使用环加成反应将它们掺入PEG水凝胶中，然后进行凝胶化，然后使用光介导的肟连接，通过空间控制将其固定化。掺入的蛋白质可随后通过邻硝基苄基酯化学作用而释放。蛋白质连接和释放的过程可以在任意四维空间中依次重复（图1）。结果表明，可以对β-内酰胺酶（一种模型酶）进行光图案化，以优先定位水凝胶中的酶活性。生长因子，包括表皮生长因子和成纤维细胞生长因子，也在水凝胶中形成图案，随后在光照射下释放，从而可以暂时控制细胞摄取和下游反应。这些例子说明了水凝胶中对活性蛋白呈递的前所未有的时空控制。
图1：水凝胶中分选酶标签增强的蛋白质连接（STEPL）修饰的蛋白质的光图案化和光释放。首先，通过分选酶A介导的转肽作用，用接头官能团修饰感兴趣的全长蛋白质。此后，蛋白质在光照射下被固定在聚合物网络中，随后可以使用其他化学方法将其光释放。可以重复这些步骤，以在单个水凝胶中控制多种蛋白质的添加和释放，从而对蛋白质呈递给细胞提供时空控制。
【总结讨论】
尽管提出的方法总体上很优雅，但潜在的挑战仍然是它的复杂性，因为专业技术（例如，多光子激光扫描光刻）以及小分子和肽合成，蛋白质工程和应用光化学方面的专业知识很少出现。单个实验室。这种复杂性限制了生物学家的可及性，而生物学家将从这些先进技术中受益最大，并且有可能挫败业界对翻译材料的追求，而翻译材料往往要求简单性而非复杂性。此外，尽管通过基于正交光的反应对STEPL修饰的蛋白质进行模式化和释放的能力有望模仿ECM中观察到的蛋白质的动态表达，但这种方法所需的相对缓慢的扩散过程可能无法捕获许多相关的时间尺度，内源性信号事件和细胞可能已经通过蛋白质沉积随时间改变其自身环境。这些局限性可能会随着所用化学方法的发展，试剂的商业化以及对该技术的进一步探索而得到克服。
看到这项新技术所带来的创新将非常令人兴奋，因为现在可以对水凝胶中蛋白质的呈现进行“自上而下”的控制，从而解决复杂的生物学问题并改变细胞行为，尤其是在三维环境中环境。可以利用这种技术来匹配细胞信号传递的复杂性（通过时间分子控制）和细胞结构的异质性（通过空间控制）的生物学问题和应用是无止境的。
参考文献：
doi.org/10.1038/s41563-019-0384-6
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