ペンタペプチド超分子アセンブリとゲル化に対する細胞接着リガンド症状の影響：シミュレーションと実験

細胞外マトリックス（ECM）は、構造および生物活性成分を含む複雑で階層的な材料です。この複雑さにより、特に3D環境で細胞プロセスを研究する場合、生体力学的特性と細胞マトリックス相互作用の効果が困難になります。マトリックスの力学と細胞接着は、どちらも幹細胞の増殖や分化などの特定の細胞プロセスの既知の調節因子です。しかし、このような変数が、移植時に中枢神経系（CNS）の損傷または疾患の後に治療的に神経機能を改善する可能性があるさまざまな神経系統にどのように影響するかについて、より多くの情報が必要です。注射可能な送達（迅速な）ヒドロゲルのためにペンタペプチドを迅速に組み立てることは、生理学的媒体の物理的ヒドロゲルに集合するペプチド配列のファミリーで構成されるこれらの目標を達成するための1つの生体材料アプローチです。この研究では、ECM由来の細胞接着ペプチドリガンドRGD、IKVAV、およびYIGSRと官能化された、以前に報告された超分解性迅速なヒドロゲルを研究しました。分子動力学シミュレーションと実験的レオロジーを使用して、生理学的濃度（3〜12 mm）でのこれらのインテグリン結合リガンドがKyfilペプチド系のアセンブリに影響を与えないことを実証しました。シミュレーションでは、水素結合やPI-PI相互作用などのアセンブリの分子測定は、細胞接着配列または濃度の影響を受けないように見えました。クラスタリングの視覚化と溶媒アクセス可能な表面積（SASA）の分析は、インテグリン結合ドメインが露出したままであることを示しました。3 mmのインテグリン結合ドメインを含むKyfilまたはAyfilヒドロゲルは、機能化されていない同等物と一致する機械的特性をもたらしました。細胞接着配列を使用して迅速なゲルをドーピングするこの戦略により、レオロジー特性とは無関係に、ペプチドリガンド濃度の正確な調整が可能になります。迅速なヒドロゲルシステムの制御可能性は、ヒドロゲルの微小環境が成長、成熟、または分化にどのように影響するかを識別するために、カプセル化された神経細胞に対するインテグリン結合相互作用の効果を調査する機会を提供します。

The extracellular matrix (ECM) is a complex, hierarchical material containing structural and bioactive components. This complexity makes decoupling the effects of biomechanical properties and cell-matrix interactions difficult, especially when studying cellular processes in a 3D environment. Matrix mechanics and cell adhesion are both known regulators of specific cellular processes such as stem cell proliferation and differentiation. However, more information is required about how such variables impact various neural lineages that could, upon transplantation, therapeutically improve neural function after central nervous system (CNS) injury or disease. Rapidly Assembling Pentapeptides for Injectable Delivery (RAPID) hydrogels are one biomaterial approach to meet these goals, consisting of a family of peptide sequences that assemble into physical hydrogels in physiological media. In this study, we studied our previously reported supramolecularly-assembling RAPID hydrogels functionalized with the ECM-derived cell adhesive peptide ligands RGD, IKVAV, and YIGSR. Using molecular dynamics simulations and experimental rheology we demonstrated that these integrin-binding ligands at physiological concentrations (3-12 mM) did not impact assembly of the KYFIL peptide system. In simulations, molecular measures of assembly such as hydrogen bonding and pi-pi interactions appeared unaffected by cell-adhesion sequence or concentration. Visualizations of clustering and analysis of solvent accessible surface area (SASA) indicated that the integrin-binding domains remained exposed. KYFIL or AYFIL hydrogels containing 3 mM of integrin-binding domains resulted in mechanical properties consistent with their non-functionalized equivalents. This strategy of doping RAPID gels with cell-adhesion sequences allows for the precise tuning of peptide ligand concentration, independent of the rheological properties. The controllability of the RAPID hydrogel system provides an opportunity to investigate the effect of integrin-binding interactions on encapsulated neural cells to discern how hydrogel microenvironment impacts growth, maturation, or differentiation.