Anfifílico peptídico

Los anfifílicos peptídicos (AP) son moléculas basadas en péptidos que se autoensamblan en nanoestructuras supramoleculares, incluyendo micelas esféricas, cintas retorcidas y nanofibras de alta relación de aspecto . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Un anfifílico peptídico generalmente comprende una secuencia peptídica hidrofílica unida a una cola lipídica, es decir, una cadena alquílica hidrofóbica con 10 a 16 carbonos. ^{[ 3 ]} Por lo tanto, pueden considerarse un tipo de lipopéptido . ^{[ 1 ]} Un tipo especial de AP está constituido por residuos cargados y neutros alternados, en un patrón repetitivo, como RADA16-I. ^{[ 1 ]} Los AP se desarrollaron en la década de 1990 y principios de la de 2000 y podrían utilizarse en diversas áreas médicas, incluyendo nanotransportadores, nanofármacos y agentes de imagen. Sin embargo, quizás su principal potencial reside en la medicina regenerativa para cultivar y administrar células y factores de crecimiento. ^{[ 4 ]}

Los anfifílicos peptídicos se desarrollaron en la década de 1990. Fueron descritos por primera vez por el grupo de Matthew Tirrell en 1995. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Estas primeras moléculas de PA reportadas estaban compuestas por dos dominios: uno de carácter lipofílico y otro de propiedades hidrofílicas, lo que permitió el autoensamblaje en estructuras supramoleculares esféricas como resultado de la asociación de los dominios lipofílicos lejos del solvente ( efecto hidrofóbico ), lo que dio como resultado el núcleo de la nanoestructura. Los residuos hidrofílicos quedan expuestos al agua, dando lugar a una nanoestructura soluble.

El trabajo realizado en el laboratorio de Samuel I. Stupp por Hartgerink et al., a principios de la década de 2000, informó sobre un nuevo tipo de PA que pueden autoensamblarse en nanoestructuras alargadas. Estos nuevos PA contienen tres regiones: una cola hidrofóbica, una región de aminoácidos formadores de láminas beta y un epítopo peptídico cargado diseñado para permitir la solubilidad de la molécula en agua. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Además, los PA pueden contener un epítopo de direccionamiento o señalización que permite que las nanoestructuras formadas realicen una función biológica, ya sea de direccionamiento o señalización, al interactuar con sistemas vivos. ^{[ 9 ] [ 10 ]} El mecanismo de autoensamblaje de estos PA es una combinación de enlaces de hidrógeno entre aminoácidos formadores de láminas beta y el colapso hidrofóbico de las colas para producir la formación de micelas cilíndricas que presentan el epítopo peptídico con una densidad extremadamente alta en la superficie de la nanofibra. Al modificar el pH o añadir contraiones para neutralizar la carga superficial de las fibras, se pueden formar geles. Se ha demostrado que la inyección in vivo de soluciones de péptidos anfifílicos induce la formación de geles in situ debido a la presencia de contraiones en soluciones fisiológicas. Esto, junto con la completa biodegradabilidad de los materiales, sugiere numerosas aplicaciones en terapias in vitro e in vivo .

La mayoría de las moléculas autoensamblables son anfifílicas , lo que significa que poseen características tanto hidrofóbicas como hidrofílicas . Los péptidos anfifílicos son una clase de moléculas que consisten en secuencias peptídicas hidrofóbicas e hidrofílicas, o en un péptido hidrofílico con un grupo hidrofóbico unido, generalmente una cadena alquílica . La estructura de un péptido anfifílico tiene cuatro dominios clave. En primer lugar, hay una sección hidrofóbica, típicamente una cadena alquílica. En segundo lugar, está la secuencia peptídica que forma enlaces de hidrógeno intermoleculares. En tercer lugar, hay una sección de residuos de aminoácidos cargados para mejorar la solubilidad del péptido en agua. La característica estructural final permite que el péptido interactúe con biomoléculas, células o proteínas, a menudo a través de epítopos (parte de antígenos reconocidos por el sistema inmunitario). ^{[ 11 ]}

Al igual que otras moléculas anfifílicas, por encima de una concentración crítica de agregación, los péptidos anfifílicos se asocian mediante interacciones no covalentes para formar ensamblajes ordenados de diferentes tamaños, desde nanómetros hasta micras. ^{[ 12 ]} Las moléculas que contienen elementos polares y no polares minimizan las interacciones desfavorables con el medio acuoso mediante la agregación, lo que permite que las partes hidrofílicas queden expuestas al medio acuoso y que las partes hidrofóbicas estén protegidas. Cuando se produce la agregación, se pueden formar diversos ensamblajes dependiendo de muchos parámetros como la concentración, el pH, la temperatura y la geometría. Los ensamblajes formados abarcan desde micelas hasta estructuras de bicapa , como vesículas , así como fibrillas y geles . ^{[ 13 ]}

Las micelas constan de un núcleo interno hidrofóbico rodeado por una capa externa hidrofílica expuesta a un disolvente, y sus estructuras pueden ser esferas, discos o agrupaciones vermiformes. ^{[ 14 ]} Las micelas se forman espontáneamente cuando la concentración supera una concentración micelar crítica y una temperatura determinada. ^{[ 15 ]} Los anfifílicos con un grado intermedio de hidrofobicidad tienden a formar vesículas bicapa. Las vesículas son estructuras esféricas, huecas y lamelares que rodean un núcleo acuoso. La porción hidrofóbica se orienta hacia el interior y forma la sección interna de la bicapa, mientras que la porción hidrofílica se expone al medio acuoso en las superficies interna y externa. Las estructuras micelares presentan un interior hidrofóbico y un exterior hidrofílico. ^{[ 16 ]}

Normalmente existe una relación clara entre el carácter anfifílico de un péptido y su función, ya que dicho carácter determina sus propiedades de autoensamblaje, lo que a su vez confiere su funcionalidad. El grado de anfifilicidad puede variar significativamente en péptidos y proteínas, pudiendo presentar regiones hidrofóbicas o hidrofílicas. Un ejemplo de ello es la estructura cilíndrica de una hélice α , que puede contener una sección de residuos hidrofóbicos en una cara y una sección hidrofílica en la cara opuesta. En las estructuras de lámina β , la cadena peptídica puede estar compuesta por residuos hidrofílicos e hidrofóbicos alternados, de modo que las cadenas laterales se muestran en caras opuestas de la lámina. ^{[ 17 ]} En la membrana celular, los péptidos se pliegan en hélices y láminas para permitir la interacción de los residuos no polares con el interior de la membrana y la exposición de los residuos polares al medio acuoso. Este autoensamblaje permite que los péptidos optimicen aún más su interacción con el entorno.

Los péptidos anfifílicos son muy útiles en aplicaciones biomédicas y pueden emplearse como agentes terapéuticos para tratar enfermedades transportando fármacos a través de las membranas hacia sitios específicos. Posteriormente, se metabolizan en lípidos y aminoácidos, que se eliminan fácilmente por los riñones. ^{[ 18 ]} Esto ocurre gracias a que la cola hidrofóbica puede atravesar la membrana celular, permitiendo que el epítopo peptídico se dirija a una célula específica mediante un complejo ligando-receptor. ^{[ 19 ]} Otras aplicaciones de los péptidos anfifílicos incluyen su uso en antimicrobianos, cuidado de la piel y cosméticos, así como en la administración de genes, entre otras. ^{[ 20 ]}

La naturaleza modular de la química permite ajustar tanto las propiedades mecánicas como las bioactividades de las fibras y geles autoensamblados resultantes. Las secuencias bioactivas pueden utilizarse para unir factores de crecimiento, localizándolos y presentándolos a las células en altas densidades, o para imitar directamente la función de biomoléculas endógenas. Epítopos que imitan el bucle adhesivo RGD en la fibronectina , la secuencia IKVAV en la laminina y una secuencia consenso para la unión al sulfato de heparina son solo algunos ejemplos de la amplia biblioteca de secuencias que se han sintetizado. Se ha demostrado que estas moléculas y los materiales derivados de ellas son eficaces para promover la adhesión celular, la cicatrización de heridas, la mineralización ósea, la diferenciación celular e incluso la recuperación de la función tras una lesión medular en ratones.

Además, los anfifílicos peptídicos pueden utilizarse para formar arquitecturas más sofisticadas que pueden ajustarse a demanda. En los últimos años, dos descubrimientos han dado lugar a materiales bioactivos con estructuras más avanzadas y posibles aplicaciones. En un estudio, un tratamiento térmico de soluciones de anfifílicos peptídicos condujo a la formación de grandes dominios birrefringentes en el material, que podían alinearse mediante una fuerza de cizallamiento débil en un gel monodominio continuo de nanofibras alineadas. Las bajas fuerzas de cizallamiento utilizadas para alinear el material permiten la encapsulación de células vivas dentro de estos geles alineados y sugieren varias aplicaciones en la regeneración de tejidos que dependen de la polaridad y la alineación celular para su función. En otro estudio, la combinación de anfifílicos peptídicos con carga positiva y biopolímeros largos con carga negativa condujo a la formación de membranas jerárquicamente ordenadas. Cuando las dos soluciones se ponen en contacto, la complejación electrostática entre los componentes de cada solución crea una barrera de difusión que impide su mezcla. Con el tiempo, una diferencia de presión osmótica impulsa la reptación de las cadenas poliméricas a través de la barrera de difusión hacia el compartimento del anfifílico peptídico, lo que da lugar a la formación de fibras perpendiculares a la interfaz que crecen con el tiempo. Estos materiales pueden fabricarse en forma de membranas planas o como sacos esféricos mediante la adición de una solución a otra. Son lo suficientemente robustos para su manipulación mecánica y se puede acceder a diversas propiedades mecánicas modificando las condiciones y el tiempo de crecimiento. Pueden incorporar anfifílicos peptídicos bioactivos, encapsular células y biomoléculas, y son biocompatibles y biodegradables.

• Material biomimético
• Hidrogel

 Este artículo incorpora texto de Jessica Hutchinson, disponible bajo la licencia CC BY-SA 3.0 .