ReviewBiomolekulákból származó bioanyagok
A biomolekulák a reprodukálhatóságért, fenntarthatóságért és halandóságért felelős egyedi szerkezetük és működésük miatt alapvető fontosságúak minden életforma számára, beleértve a mikroorganizmusokat, növényeket és állatokat is. A monomerek, oligomerek és makromolekulák, mint például az aminosavak, peptidek, fehérjék, nukleobázisok, nukleotidok, oligonukleotidok, nukleinsavak (DNS/RNS), monoszacharidok, oligoszacharidok, poliszacharidok és lipidek az élet fő építőkövei , , ]. A feltételezések szerint az élet molekuláris építőkövei az evolúciós folyamat során évmilliárdok alatt fokozatosan alakultak át a jelenlegi molekuláris szerkezetükké, hogy elérjék a ma megfigyelhető, rendkívül kifinomult molekuláris felismerési tulajdonságokat. A biomolekulák érdekes molekuláris felismerési tulajdonsága létfontosságú az összes élő szervezet szerkezetének és funkcionális aktivitásának fenntartásához. A biomolekulák egyik lenyűgöző tulajdonsága az a képességük, hogy hierarchikus szerveződésen mennek keresztül, hogy merev és rugalmas biológiai rendszereket és anyagokat hozzanak létre. Például az olyan biomolekulák, mint a kollagén, a keratin és az elasztin képesek funkcionális egységeket alkotni, a zselatin robusztus és fogyasztható gélt, a selyem nagy szilárdságú szálakat (funkcionális amiloid) és géleket alkot, míg egyes peptidek és fehérjék betegséget okozó toxikus amiloid struktúrákat hoznak létre. A biomolekulák figyelemre méltó molekuláris felismerés által vezérelt inter- és intramolekuláris kölcsönhatásai és szerveződése döntő fontosságú a biológiai anyagok kialakulásában . A biomolekuláknak és biológiai anyagaiknak ez a példamutató ereje inspirálta az anyagkémikusokat és a biológusokat új biomateriális vázak kifejlesztésére . A biomolekulák érdekes kémiai, biológiai és mechanikai tulajdonságai fontos szerepet játszanak az újszerű bioanyagok előállításában akár közvetlen feldolgozással, akár szintetikus anyagokkal kombinálva .
A biomolekulák mindenütt jelenlévő szinergiája és kölcsönhatása fontos az élet hűségének fenntartásához. Bármilyen típusú betegségből vagy traumából eredő eltérés megzavarhatja a biomolekulák közötti keresztkapcsolatot az élő gépezet rendszerén belül. A szövetek és szervek szerkezeti deformációja vagy károsodása számtalan emberi fogyatékosságot és betegséget okozhat. A fő korlátot az jelenti, hogy az emberi test nem képes automatikusan regenerálni a legtöbb szervét, ha kedvezőtlen fiziológiai körülmények között sérül. Ebben az összefüggésben a biomolekulákból származó anyagok használata állandó implantátumok vagy az érintett szövetek és szervek regeneratív helyettesítői formájában nagyon keresett az orvosbiológiai tudományokban. A biomolekulák biomedicinális jelentőségű anyagokká történő átalakítása biztosítja a biokompatibilitást és utánozza az emberi test in vivo környezetét a gyógyulási folyamatok beindítása érdekében. Ezeket a biomolekulákból vagy azok szintetikus anyagokkal való kombinációiból származó, biomedicinális alkalmazásokban való felhasználásra szánt anyagokat biomolekulákból származó bioanyagoknak nevezzük.
A biomolekulákból származó bioanyagok különféle formákba hozhatók, amelyeket önmagukban vagy egy komplex rendszer részeként az élő rendszerek összetevőivel való kölcsönhatásra használnak, és amelyek várhatóan diagnosztikai vagy terápiás hatást fejtenek ki a humán- vagy állatgyógyászatban. A különböző orvosbiológiai alkalmazásokhoz szükséges bioanyagok természetes vagy szintetikus anyagokból származhatnak, míg a két anyagtípus hibridje nagyon gyakori a kémiai, biológiai és mechanikai tulajdonságok javításának egyedülálló képessége miatt. A biológiai anyagok hierarchikus szerveződése a molekuláris, nano-, mikro- és makroszintű anyagoktól a makroszintű anyagokig terjed. A biológiai anyagok inherens hierarchikus felépítése befolyásolja funkcióikat az emberi test különböző szövettípusaiban és szerveiben. A biomolekulákból származó anyagi rendszerek eredendő biológiai természetüknek köszönhetően számtalan előnyt kínálnak, mint például a biokompatibilitás, a biomolekuláris felismerés, a biológiai ingerekre való érzékenység és a komplex-heterogén biokémiai környezetben való rugalmas alkalmazkodás. Annak ellenére, hogy a szintetikus anyagok jó anyagtulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a mechanikai szilárdság, merevség és tartósság, a szintetikus anyagok biomateriális alkalmazásai rossz biokompatibilitást mutatnak, ami az emberi szervezet által visszautasított anyagokért felelős. Az anyagvisszautasítás a bioanyagok fejlesztése és felhasználása során komoly aggodalomra ad okot, amelyet a biomolekulák és a szintetikusan előállított bioanyagok megfelelő beépítésével lehet leküzdeni, hogy kiváló szerkezeti, funkcionális és biokompatibilitási jellemzőkkel rendelkező hibrid anyagokat hozzanak létre. Valójában a biológiai anyagokból származó eszközök és implantátumok mindenütt jelen voltak a klinikai gyakorlatban a régi időkben. Például korallokat és fákat használtak fogászati implantátumként, míg a selyemszálakat varratként használták. A biológiai anyagok ősi felhasználása azonban nem rendelkezett olyan kifinomult tervezéssel és precíziós mérnöki munkával, mint amilyennek a modern bioanyagok tervezése és alkalmazása során tapasztalható. A cellulóz, a keratin, a kollagén és a selyem könnyen hozzáférhető, lenyűgöző anyagtulajdonságokkal rendelkező biológiai nyersanyagok, amelyek a biomateriális feldolgozáshoz és gyártáshoz szükséges kedvező kémiai, biológiai és mechanikai tulajdonságaik miatt a biomateriális kutatás jelentős részét képezik (1. ábra) .
Az elmúlt évtizedekben a biomedicinális kutatás fejlődése lehetővé tette a biomolekulákból származó biomolekulák tervezését és gyártását. A biomolekulák oldatos feldolgozása és módosítása vagy más természetes és szintetikus anyagokkal való integrálása különböző kémiai, fizikai, mechanikai és biomimetikai tulajdonságok elsajátításához vezet, hogy klinikailag érzékeny biomateriális rendszereket és eszközöket hozzanak létre . A huszadik században figyelemre méltó újítások történtek a mesterséges funkcionális anyagok kifejlesztése terén, amelyek potenciális alkalmazásokat jelentenek a biomedicinában és az orvosi technológiákban . A mesterséges anyagok klinikai gyógyászatban való hasznosításának folyamatos előtérbe helyezése hangsúlyozza a biomolekulák beépítésének szükségességét a biomimetikus tulajdonságaik javítása érdekében (2. ábra). Ebben az összefüggésben a biomolekulák és a szintetikus anyagok összekapcsolásával előállított hibrid bioanyagok szerkezeti és funkcionális jellemzőinek optimalizálása alapvető fontosságúvá válik terápiás hatékonyságuk fokozása érdekében. Valójában a biomolekulák és a szintetikus anyagok integrációja kettős funkcionális jellemzők, azaz biológiai jellemzők és anyagi tulajdonságok asszimilációjához vezet a származtatott biomateriális rendszerekben. A bioanyagok tervezésének legújabb fejleményei lehetővé tették számtalan kémiai és biológiai funkcionalitás beépítését a szintetikus és hibrid rendszerekbe, hogy fokozzák funkcionális jelentőségüket és a sejt- és szöveti környezettel való biokompatibilitásukat. Az orvosbiológiai tudomány és technológia fejlődése az in vitro és in vivo környezetre vonatkozó hatalmas ismeretek felhalmozódásához vezetett, ami lehetővé teszi a kutatók számára, hogy az empirikus megközelítések helyett a tervezés hűségét alkalmazzák az újszerű bioanyagok kifejlesztéséhez olyan innovatív stratégiákon keresztül, amelyek utánozzák a szövetek és szervek extra- és intercelluláris környezetét (3. ábra) . A bioanyagok tervezése és gyártása általában magában foglalja a megfelelő természetes vagy szintetikus anyag kiválasztását és a kiválasztott anyag megfelelő mechanikai tulajdonságokkal rendelkező kívánt formátumba történő feldolgozását biokompatibilis kémiai és mechanikai átalakítások alkalmazásával. A bioanyagok gyártásának jellemzően a következő kritériumoknak kell megfelelnie: i) a teljes tervezési architektúrának nagymértékben biokompatibilisnek kell lennie, amely a jó sejtéletképesség mellett elősegíti a szükséges adhéziót és sejtnövekedést, ii) fel kell gyorsítani a kis molekulák, metabolitok vagy tápanyagok diffúzióját a sejten vagy szöveten belül, iii) megakadályozza a reaktív fajok invázióját vagy kifelé irányuló vándorlását, iv) ne idézzen elő gyulladásos választ, teratogenitást vagy bármilyen káros egészségügyi hatást, v) rendelkezzen hosszan tartó kémiai és biológiai plazma-stabilitással, vi) mutasson kiváló és szükséges lebomlási kinetikát, és vii) megkönnyítse az in vivo jellemzést .
A biomolekulákból származó bioanyagok sikere túlnyomórészt a biomolekulák szerkezeti és funkcionális integritásának fenntartásától függ a gyártott rendszerben vagy eszközben, majd azok hatékony biomedicinális felhasználásától. A biomolekulákból származó bioanyagok sejtekkel vagy szövetekkel való kölcsönhatásának és az ebből eredő válasznak a teljes folyamata szövettechnológiai hármas rendszert alkot, amelyben a biomolekulák a sejtek szerkezeti építőköveiként és az anyagok funkcionális konjugátumaként szinergiában működnek, hogy utánozzák a természetes biológiai rendszerek szerkezet-funkció kapcsolatát. Ebben az összefüggésben a biomolekulák szerkezet-funkció kapcsolatának előzetes ismerete, például a fehérjék elsődleges, másodlagos, harmadlagos és negyedleges szerkezetére vonatkozó információk alapvető fontosságúak ahhoz, hogy azokat hatékonyan lehessen felhasználni egy adott bioműanyag gyártásában. A biomolekulák különböző kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és eltérően reagálnak a környezetből érkező ingerekre-válaszokra, ezért a biomolekulák szerkezetének és kémiájának megértése oldatban, szilárd állapotban és a határfelületen létfontosságú. A biológiai rendszerekben a biomolekulák példátlan molekuláris felismerési és kölcsönhatási képességgel rendelkeznek a sejtek viselkedésének és aktivitásának szabályozására. A biomolekulák integrálása a bioanyagok tervezési keretébe túlnyomórészt e jellemző tulajdonságok kihasználását foglalja magában a sejtek és az in vivo környezet vizsgálatára sérülés vagy betegség esetén. A biomolekulák beépítése integrálja a biokompatibilitási jellemzőket, és optimalizálja az in vivo kölcsönhatásokat a szövetekkel vagy szervekkel való érzékeny érintkezés révén. A biomolekulák inherens szerkezeti összetettsége és biológiai eredete azonban nemkívánatos természetes biológiai reakciókat válthat ki a szervezetben, ami hátráltathatja klinikai alkalmazásukat. Ezért foglalkozni kell a kémiai és biológiai instabilitással, az immunválasz és a természetes kilökődés, a költséghatékonyság, a tervezés komplikációi és egyéb szabályozási kérdések problémáival . Továbbá, a biológiai és szintetikus anyagok tulajdonságainak szinergikus integrációja egyszerű, költséghatékony, minimalista és a szerkezet-funkció kapcsolat tanulmányozásán alapuló tervezéssel szükséges a potenciális alkalmazásokkal rendelkező új bioanyagok előállításához.
A modern jellemzési technikák megjelenésével a bioanyagok szerkezet-funkció tulajdonságainak ellenőrzése javult az utóbbi időben . Továbbá, a biomolekulák szintetikus anyagi rendszerekkel való integrálásának szükségessége a kiváló kémiai összetétel, a magasabb rendezett hierarchikus szervezetek és a biomimetikus tulajdonságok elérése érdekében egy bioanyagban ma már nyilvánvalóbb, mint valaha. A biomolekulákból származó bioanyagok tervezését és gyártását az anyagtípustól és az alkalmazástól függően kovalens és nem kovalens kölcsönhatások irányítják. A természetben a biomolekulák háromdimenziós (3D) összeállításai elsősorban a monomerek kovalens kötések által közvetített szekvenciájától függenek. Ezt követően a biomolekuláris rendszerek különböző szintű komplexitású és reagáló funkcionalitású, magasabb rendű struktúrái dinamikus, nem kovalens kölcsönhatások által vezérelt molekuláris összeszerelési folyamat révén állnak össze egy meghatározott konstrukción belül. Ebben a tekintetben a biomolekuláknak az érdeklődésre számot tartó bioanyagokká történő tervezése és előállítása során figyelembe kell venni a kovalens módosításokból eredő konformációs merevség, valamint a többkomponensű összeszerelési folyamatokból származó rugalmasság és funkcionális relevancia megfelelő keverékét. A transzlációs korlátok leküzdésére olyan fejlett és nagy áteresztőképességű eszközöket fejlesztettek ki, mint az alakmemóriás vagy stimulációs reakcióképes anyagok , a mikrotáblák , a mikro- és nano-gyártás és a litográfiai technikák, amelyekkel topográfiailag és funkcionálisan jól definiált intelligens bioanyagok hozhatók létre. A biomérnöki tudomány egy másik kifinomult és fejlett kutatási terület a természetes biomolekuláris gépek megváltoztatására és átvételére a természetes és módosított biopolimerek szintézisére. Számos természetes és módosított mikroorganizmus létezik, amelyek élő biogépként vagy gyárként működnek számos biopolimer poliészter és poliamid szintéziséhez. Például a gram-pozitív baktériumok családjába tartozó Bacillus fajok és a gram-negatív Fusobacterium nucleatum baktériumok poliglutaminsav szintetáz enzim jelenlétében poliglutaminsav-szintetáz enzim szintetizálására szolgálnak. Hasonlóképpen, a poliészterek polihidroxi-alkonátjait számos baktérium és archaea szintetizálja. Ebben az összefüggésben a géntechnológia alkalmas arra, hogy különböző, személyre szabott tulajdonságokkal rendelkező biopolimereket állítson elő.
A nagy áteresztőképességű technológiák és a géntechnológia mellett az újgenerációs szekvenálási és képalkotó technikák szélesítették a jellemzési eszközök körét a sejtek viselkedésének vizsgálatára a bioanyagokkal való kölcsönhatások során. Ebben az összefüggésben különösen érdekesek az alakmemória vagy a stimulációra reagáló anyagok, mivel külső ingerekre, például pH-ra, hőmérsékletre vagy fényre reagálva különböző geometriai konformációkat tudnak felvenni . Ezek az anyagok kezdetben átmeneti alakot vehetnek fel, majd a külső ingerek változására reagálva más alakot vagy geometriát alakíthatnak ki. Ezeknek az anyagoknak az alakváltoztató tulajdonsága előnyös a minimálisan invazív műtéteknél vagy laparoszkópiáknál, ahol a bioanyag beültetése hőmérséklet által stimulált változásokkal jár, amelyek az anyagnak a beültetés után biomimetikusabb szerkezetűvé történő átalakulását eredményezik. A biomolekulák mikro- és nanofabrikálása mikrochipek, mikrotűk vagy bioszenzorok létrehozásához hasznos in vitro és in vivo alkalmazásokban, beleértve a nagy áteresztőképességű bioteszteket, a bioérzékelést, a sejttenyésztést és -differenciálódást, a szállítást és a terápiát. Ezek a technológiák a mérnöki, anyagtudományi, kémiai, biotechnológiai és orvosi területeket felölelő multidiszciplináris megközelítések kombinálásával gazdagították a bioanyagok területét. A következő generációs bioanyagok tervezése kifejezetten az anyagok ellenőrzött és precíziós tervezésétől függ a nagyobb pontosság érdekében a szerkezet, a tulajdonságok és a funkció tekintetében, amelyek nagymértékben támaszkodnak a biomolekulákból származó anyagokra. A biomolekulákból származó anyagok előállításának folyamatában rendkívül fontos a biomolekulák szerkezet-funkció kapcsolatának fenntartása a biomolekulák bioanyagokká történő átalakulásakor.
Ez az áttekintő cikk a biomolekulák előállításához használt biomolekula-típusok alapján különböző részekre tagolódik, amelyek között külön rész foglalkozik az alkalmazásukkal. Összességében bemutatjuk az olvasónak a biomolekulákból származó bioanyagok különböző osztályainak kiválasztott és reprezentatív példáit, amelyek potenciális biomedicinális alkalmazásokkal rendelkeznek a diagnózistól, az antimikrobiális hatékonyságtól, a rákellenes terápiáktól, a regeneratív gyógyászattól a gyógyszeradagolásig és a szövettechnológiáig. A vita a bioanyagok reális tervezésére és alkalmazására irányul, amelyekben az integrált biomolekulák a specifikus funkcióikon túl döntő szerepet játszanak. A tárgyalás a különböző tervezési stratégiákra összpontosít, amelyek különböző biomolekulákat, például fehérjéket, nukleinsavakat, szénhidrátokat és lipideket használnak az intelligens bioanyagok előállításához. Továbbá ismertetjük a minimalista vagy redukcionista megközelítéseket, amelyekben a biomolekulák oligomerjeit és alapvető építőköveit (monomerjeit), például peptideket, peptidomimetikumokat, oligonukleotidokat, oligoszacharidokat, zsírsavakat, aminosavakat, nukleotidokat, cukrokat és ezek kombinációit használják a természetes rendszereket utánzó bioanyagok előállítására. Az értekezés szisztematikusan úgy szerveződik, hogy a biomakromolekulákból származó bioanyagok leírása a fehérjékből, nukleinsavakból, szénhidrátokból és lipidekből származó bioanyagokról szóló fejezetek alatt történik. Az egyes szakaszokban a biomolekulák oligomerjeit vagy alapvető építőköveit (monomerjeit) alkalmazó bioanyagok tervezésének és előállításának redukcionista megközelítéseit tárgyaljuk. A cikk fő célja az irodalomból származó jelentős beszámolók bemutatása annak érdekében, hogy a biomolekulákból származó bioanyagokról varázslatos képet adjon. Továbbá, van egy maréknyi olyan keresztezési példa, ahol két vagy több típusú biomolekulát, valamint szintetikus molekulákat és anyagokat alkalmaznak a bioanyagok tervezéséhez, amelyeket a hibrid bioanyagok szakasz tárgyal. A biomolekulákból származó bioanyagok tervezésének, előállításának és alkalmazásának mélyreható és kritikus megvitatása az egyes biomolekula-típusok megfelelő és fontos példáinak figyelembevételével történik. Végül a következtetés és kilátások részben e feltörekvő terület jelenlegi helyzetét és jövőbeli kilátásait ismertetjük. A kiválasztott elsődleges szakirodalomból származó adatok bemutatásán túlmenően az egyes fejezeteket a szükséges illusztrációkkal és jövőbeli kilátásokkal látjuk el, figyelembe véve a biomolekulákból származó bioanyagok természetes bőségét, hasznosságát, gyakorlati forrását és alkalmazásait.