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  骨骼系統(tǒng)損傷的自發(fā)修復(fù)過程緩慢且臨床干預(yù)效果有限，使其成為不可忽視的全球健康問題�；谏锊牧系慕M織工程策略是一種具有前景的治療手段，傳統(tǒng)的生物材料大多來源于動物提取物和化學(xué)合成的聚合物，它們的生物活性、安全性以及在分子層面可操作性期待被進一步提升�；谀K化蛋白質(zhì)工程的生物材料 (Modular protein engineering-based biomaterials, MPE biomaterials)的出現(xiàn)，正在逐步克服這些難題。由于其序列可編輯性，MPE biomaterials可以是通過序列設(shè)計模擬、拼接和/或創(chuàng)造的細胞外基質(zhì)材料。同時，MPE biomaterials還具有生產(chǎn)批次穩(wěn)定和成分明晰的優(yōu)勢。這些使其在體內(nèi)和體外研究中被廣泛應(yīng)用。本綜述廣泛總結(jié)了當今被研究的MPE biomaterials，提出了“蛋白序列設(shè)計指導(dǎo)組織工程”這一新概念，并提供了MPE biomaterials的生物設(shè)計策略和未來可能的研究方向。

圖1 MPE biomaterials的設(shè)計理念以及其功能應(yīng)用

  該綜述首先介紹了不同MPE biomaterials的特征。MPE biomaterials由多肽構(gòu)成，這些多肽由一種或多種“模塊（包括多肽結(jié)構(gòu)域和寡肽基序）”共價連接而成。它們以重復(fù)序列作為多肽鏈的骨架，可以拼接有生物活性基序(motifs)。常見的骨架包括基于膠原蛋白、彈性蛋白、絲素蛋白、節(jié)肢彈性蛋白和自組裝寡肽的重復(fù)序列，生物活性基序則種類繁多。設(shè)計好多肽模塊后，產(chǎn)生MPE biomaterials的方式主要有基因工程法和固相肽合成法。

圖2 MPE biomaterials的生產(chǎn)方式

圖3 MPE biomaterials對細胞活力的促進

  細胞活力得到保障后，優(yōu)良的生物材料需要能在體外形成組織工程復(fù)合物，由于細胞與MPE biomaterials之間的相互作用，一些多肽結(jié)構(gòu)域或基序的嵌入傾向于軟骨誘導(dǎo)，另一些則會使細胞傾向于骨分化，因此，細胞命運的決定、組織工程復(fù)合物的性質(zhì)以及最終體內(nèi)修復(fù)的結(jié)局，都可以通過合理設(shè)計多肽序列來調(diào)控。

圖4 MPE biomaterials對細胞命運和細胞外基質(zhì)形成的調(diào)控

  在骨骼系統(tǒng)組織工程中，對材料的機械性往往有較高要求，而MPE biomaterials本身的機械性能往往較弱，目前MPE biomaterials機械性能的提高，還主要依賴于工程手段而不是分子設(shè)計，多種方法可將MPE biomaterials的機械性能提升至足以滿足體內(nèi)修復(fù)的水平。

圖5 用于提升MPE biomaterials機械性能的策略

  本綜述提出，MPE biomaterials的創(chuàng)造和應(yīng)用，是分子生物學(xué)、材料科學(xué)和再生醫(yī)學(xué)精美的學(xué)科交叉，通過“序列-結(jié)構(gòu)-功能”的設(shè)計和應(yīng)用，MPE biomaterials也許能給組織工程帶來新的范式。

  文章以Modular protein engineering-based biomaterials for skeletal tissue engineering為題發(fā)表在Biomaterials上。本文第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生易俊志，共同第一作者為浙江大學(xué)愛丁堡大學(xué)聯(lián)合學(xué)院本科生劉其，通訊作者為浙江大學(xué)歐陽宏偉教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121414