ReviewBiomolekuly odvozené od biomateriálů

Biomolekuly mají zásadní význam pro všechny formy života včetně mikroorganismů, rostlin a živočichů díky své jedinečné struktuře a funkci, které jsou zodpovědné za reprodukovatelnost, udržitelnost a úmrtnost. Monomery, oligomery a makromolekuly, jako jsou aminokyseliny, peptidy, proteiny, nukleobáze, nukleotidy, oligonukleotidy, nukleové kyseliny (DNA/RNA), monosacharidy, oligosacharidy, polysacharidy a lipidy, jsou hlavními stavebními kameny života , , ]. Předpokládá se, že molekulární stavební kameny života se v průběhu miliard let postupně transformovaly do současné molekulární struktury v procesu evoluce, aby dosáhly vysoce sofistikovaných molekulárních rozpoznávacích vlastností, jichž jsme svědky dnes. Zajímavé molekulární rozpoznávací vlastnosti biomolekul jsou nezbytné pro zachování struktury a funkční aktivity všech živých organismů. Jednou z fascinujících vlastností biomolekul je jejich schopnost procházet hierarchickou organizací a vytvářet tak tuhé a pružné biologické systémy a materiály . Například biomakromolekuly jako kolagen, keratin a elastin mohou vytvářet funkční sestavy, želatina tvoří pevný a spotřební gel, hedvábí vytváří vysoce pevná vlákna (funkční amyloid) a gely, zatímco některé peptidy a proteiny vytvářejí toxické amyloidní struktury způsobující onemocnění. Pozoruhodné mezimolekulární a vnitromolekulární interakce a organizace biomolekul řízené molekulárním rozpoznáváním mají zásadní význam pro tvorbu biologických materiálů . Tato příkladná síla biomolekul a jejich biologických materiálů je zdrojem inspirace materiálových chemiků a biologů pro vývoj nových biomateriálových struktur . Zajímavé chemické, biologické a mechanické vlastnosti biomolekul hrají významnou roli při výrobě nových biomateriálů buď přímým zpracováním, nebo v kombinaci se syntetickými materiály .

Všudypřítomná synergie a souhra biomolekul jsou důležité pro zachování věrnosti života. Nesoulad vznikající v důsledku jakéhokoli typu onemocnění nebo traumatu může narušit vzájemné působení biomolekul v rámci systému živých strojů. Strukturální deformace nebo poškození tkání a orgánů mohou způsobit nesčetná lidská postižení a nemoci. Hlavním omezením je, že lidské tělo nedokáže většinu svých orgánů samo regenerovat, pokud jsou ohroženy za nepříznivých fyziologických podmínek. V této souvislosti je v biomedicínských vědách velmi žádané použití materiálů odvozených od biomolekul ve formě trvalých implantátů nebo regenerativních náhrad postižených tkání a orgánů. Přeměna biomolekul na materiály biomedicínského významu zajišťuje biokompatibilitu a napodobuje prostředí lidského těla in vivo, čímž spouští hojivé procesy. Tyto materiály odvozené buď z biomolekul, nebo jejich kombinace se syntetickými materiály pro použití v biomedicínských aplikacích se označují jako biomateriály odvozené z biomolekul.

Bomateriály odvozené z biomolekul mohou být konstruovány do různých forem, které se samostatně nebo jako součást komplexního systému používají pro interakci se složkami živých systémů a předpokládá se u nich diagnostický nebo terapeutický účinek v humánní nebo veterinární medicíně. Biomateriály potřebné pro různé biomedicínské aplikace mohou být odvozeny z přírodních nebo syntetických materiálů, přičemž hybrid těchto dvou typů materiálů je velmi častý díky jedinečné schopnosti zlepšit chemické, biologické a mechanické vlastnosti. Hierarchické uspořádání biologických materiálů zahrnuje velké délkové škály od molekulární, přes nano-, mikro- až po makroměřítko. Vlastní hierarchická architektura biologických materiálů ovlivňuje jejich funkce v různých typech tkání a orgánů lidského těla . Díky své přirozené biologické povaze nabízejí materiálové systémy odvozené od biomolekul nesčetné výhody, jako je biokompatibilita, rozpoznávání biomolekul, schopnost reagovat na biologické podněty a flexibilita při přizpůsobování ve složitém heterogenním biochemickém prostředí . Navzdory tomu, že vykazují dobré materiálové vlastnosti, jako je mechanická pevnost, tuhost a trvanlivost, trpí biomateriálové aplikace syntetických materiálů špatnou biokompatibilitou, která je příčinou odmítání materiálů lidským tělem. Odmítání materiálů je hlavním problémem při vývoji a používání biomateriálů, který lze případně překonat vhodným začleněním biomolekul do synteticky odvozených biomateriálů za účelem vytvoření hybridních materiálů s vynikajícími strukturními, funkčními a biokompatibilními vlastnostmi. Ve skutečnosti byly nástroje a implantáty odvozené od biologických materiálů v klinické praxi všudypřítomné již v dávných dobách. Například korály a dřevo se používaly jako zubní implantáty, zatímco hedvábná vlákna se používala jako stehy . Starověké používání biologických materiálů však postrádalo sofistikovaný design a precizní inženýrství, které je patrné v moderním designu a aplikacích biomateriálů. Celulóza, keratin, kolagen a hedvábí jsou snadno dostupné biologické suroviny s fascinujícími materiálovými vlastnostmi, které tvoří významnou část výzkumu biomateriálů díky příznivým chemickým, biologickým a mechanickým vlastnostem potřebným pro zpracování a výrobu biomateriálů (obr. 1) .

V posledních několika desetiletích umožnil pokrok v biomedicínském výzkumu navrhovat a vyrábět biomateriály odvozené od biomolekul. Zpracování a modifikace biomolekul v roztoku nebo jejich integrace s jinými přírodními a syntetickými materiály vedou k osvojení různých chemických, fyzikálních, mechanických a biomimetických vlastností pro vytvoření klinicky citlivých biomateriálových systémů a zařízení . Dvacáté století bylo svědkem pozoruhodných inovací ve vývoji umělých funkčních materiálů s potenciálním využitím v biomedicíně a lékařských technologiích . Neustálé zaměření na využití umělých materiálů v klinické medicíně zdůrazňuje potřebu inkorporace biomolekul pro zlepšení jejich biomimetických vlastností (obr. 2). V této souvislosti se optimalizace strukturních a funkčních vlastností hybridních biomateriálů získaných propojením biomolekul a syntetických materiálů stává nezbytnou pro zvýšení jejich terapeutické účinnosti. Integrace biomolekul se syntetickými materiály totiž vede k asimilaci dvojích funkčních vlastností, tj. biologických vlastností a vlastností materiálu, v rámci odvozených biomateriálových systémů. Nedávný vývoj v konstrukci biomateriálů umožnil začlenění nesčetných chemických a biologických funkcí do syntetických a hybridních systémů s cílem zvýšit jejich funkční význam a biokompatibilitu s buněčným a tkáňovým prostředím. Pokrok v biomedicínské vědě a technologii vedl k nahromadění rozsáhlých poznatků o prostředí in vitro a in vivo, což výzkumným pracovníkům umožnilo přijmout věrnost designu nad empirickými přístupy k vývoji nových biomateriálů prostřednictvím inovativních strategií, které napodobují mimobuněčné a mezibuněčné prostředí tkání a orgánů (obr. 3) . Návrh a výroba biomateriálů obvykle zahrnuje výběr vhodného přírodního nebo syntetického materiálu a zpracování vybraného materiálu do požadovaného formátu s vhodnými mechanickými vlastnostmi s využitím biokompatibilních chemických a mechanických transformací . Výroba biomateriálů musí obvykle splňovat následující kritéria: i) kompletní konstrukční architektura musí být vysoce biokompatibilní povahy, která kromě dobré životaschopnosti buněk podporuje požadovanou adhezi a růst buněk, ii) urychluje difúzi malých molekul, metabolitů nebo živin uvnitř buňky nebo tkáně, iii) zabraňují invazi nebo migraci reaktivních druhů směrem ven, iv) neměly by vyvolávat zánětlivou reakci, teratogenitu nebo jakékoli nepříznivé zdravotní účinky, v) mají dlouhodobou chemickou a biologickou stabilitu v plazmě, vi) vykazují vynikající a požadovanou kinetiku rozkladu a vii) usnadňují charakterizaci in vivo .

Úspěch biomateriálů odvozených od biomolekul závisí převážně na zachování strukturální a funkční integrity biomolekul ve vyrobeném systému nebo zařízení a následně na jejich účinném biomedicínském využití. Celý proces interakce biomateriálu odvozeného od biomolekul s buňkou nebo tkání a výsledná odezva představuje systém triády tkáňového inženýrství, v němž biomolekuly působí v součinnosti jako strukturní stavební kameny buňky a funkční konjugáty materiálů, které napodobují vztah struktury a funkce přirozených biologických systémů. V této souvislosti je pro efektivní využití při výrobě konkrétního biomateriálu zásadní předchozí znalost vztahu struktury a funkce biomolekul, například informace o primární, sekundární, terciární a kvartérní struktuře proteinů . Biomolekuly vykazují různé chemické a fyzikální vlastnosti a odlišně reagují na podněty z okolí, a proto je zásadní porozumět struktuře a chemii biomolekul v roztoku, v pevném stavu a na rozhraní . V biologických systémech vykazují biomolekuly nebývalou schopnost molekulárního rozpoznávání a interakce, která umožňuje řídit buněčné chování a aktivitu. Integrace biomolekul do rámce návrhu biomateriálů zahrnuje převážně využití těchto charakteristických vlastností pro zkoumání buněk a prostředí in vivo za podmínek poranění nebo onemocnění. Začlenění biomolekul integruje vlastnosti biokompatibility a optimalizuje interakce in vivo kontaktem s tkání nebo orgánem citlivým způsobem. Avšak přirozená strukturní složitost a biologický původ biomolekul mohou podněcovat nežádoucí přirozené biologické reakce organismu, což může bránit jejich klinickému využití. Proto je třeba řešit obavy související s chemickou a biologickou nestabilitou, imunitní odezvou a přirozeným odmítnutím, nákladovou efektivitou, komplikacemi při návrhu a dalšími regulačními otázkami . Kromě toho je pro výrobu nových biomateriálů s potenciálními aplikacemi nezbytná synergická integrace vlastností biologických a syntetických materiálů prostřednictvím jednoduchých, nákladově efektivních, minimalistických a studiemi vztahu struktury a funkce řízených návrhů.

S příchodem moderních charakterizačních technik se v poslední době zlepšila kontrola nad vlastnostmi biomateriálů z hlediska struktury a funkce . Kromě toho je nyní více než kdy jindy zřejmá potřeba integrace biomolekul se syntetickými materiálovými systémy za účelem dosažení lepšího chemického složení, vyššího uspořádání hierarchických organizací a biomimetické vlastnosti biomateriálu. Návrh a výroba biomateriálů odvozených od biomolekul se řídí kovalentními i nekovalentními interakcemi v závislosti na typu materiálu a aplikaci. V přírodě jsou trojrozměrné (3D) sestavy biomolekul závislé především na sekvenci monomerů zprostředkované kovalentními vazbami. Následně jsou struktury vyššího řádu s různou úrovní složitosti a citlivými funkcemi biomolekulárních systémů sestavovány v rámci definované konstrukce prostřednictvím dynamického procesu sestavování molekul řízeného nekovalentními interakcemi. V tomto ohledu musí inženýrství a výroba biomolekul do podoby zajímavých biomateriálů zohlednit správnou kombinaci konformační rigidity vyplývající z kovalentních modifikací, jakož i flexibility a funkční relevance získané z procesů vícesložkové montáže. K překonání translačních omezení byly vyvinuty pokročilé a vysoce výkonné nástroje, jako je nástup materiálů s tvarovou pamětí nebo materiálů reagujících na podněty , mikročipů, mikro- a nanofabrikace a litografických technik, které umožňují vytvářet topograficky a funkčně dobře definované inteligentní biomateriály. Bioinženýrství je další sofistikovanou a pokročilou oblastí výzkumu s cílem změnit a osvojit si přirozený biomolekulární mechanismus pro syntézu přírodních a modifikovaných biopolymerů . Existuje několik přírodních a modifikovaných mikroorganismů, které fungují jako živé biostroje nebo továrny na syntézu několika biopolymerních polyesterů a polyamidů . Například rodina grampozitivních bakterií Bacillus species a gramnegativních bakterií Fusobacterium nucleatum se používá k syntéze kyseliny polyglutamové za přítomnosti enzymu syntetázy kyseliny polyglutamové. Podobně jsou polyestery polyhydroxyalkonáty syntetizovány několika bakteriemi a archei . V této souvislosti má genové inženýrství potenciál produkovat různé biopolymery s vlastnostmi šitými na míru.

Společně s vysokokapacitními technologiemi a genovým inženýrstvím se rozšířil záběr sekvenování nové generace a zobrazovacích technik jako charakterizačních nástrojů pro zkoumání chování buněk při interakci s biomateriály . V této souvislosti jsou obzvláště zajímavé materiály s tvarovou pamětí nebo materiály reagující na podněty, protože mohou zaujmout různé geometrické konformace v reakci na vnější podněty, jako je pH, teplota nebo světlo . Tyto materiály mohou zpočátku přijmout dočasný tvar a následně se transformovat do jiného tvaru nebo geometrie v reakci na změny vnějších podnětů. Vlastnost těchto materiálů měnit tvar je výhodná při minimálně invazivních operacích nebo laparoskopiích, kdy je implantace biomateriálu spojena s teplotně stimulovanými změnami, které vedou k přechodu materiálu do více biomimetických struktur po implantaci. Mikro- a nanofabrikace biomolekul pro vytváření mikročipů, mikrojehel nebo biosenzorů je užitečná pro aplikace in vitro a in vivo zahrnující vysoce výkonné biologické testy, biologické snímání, buněčné kultury a diferenciaci, doručování a terapii. Tyto technologie obohatily oblast biomateriálů spojením multidisciplinárních přístupů zahrnujících obory inženýrství, materiálové vědy, chemie, biotechnologie a medicíny . Návrh biomateriálů nové generace závisí konkrétně na řízeném a přesném inženýrství materiálů pro vyšší přesnost z hlediska struktury, vlastností a funkce, které silně závisí na materiálech odvozených od biomolekul. V procesu výroby materiálů odvozených od biomolekul je nanejvýš důležité zachovat vztah mezi strukturou a funkcí biomolekul při jejich transformaci na biomateriály.

Tento přehledový článek je uspořádán do různých oddílů podle typu biomolekul používaných k výrobě biomateriálů, které zahrnují zvláštní oddíl o jejich aplikacích. Celkově čtenáře seznámíme s vybranými a reprezentativními příklady různých tříd biomateriálů odvozených od biomolekul s potenciálními biomedicínskými aplikacemi od diagnostiky, antimikrobiální účinnosti, protinádorové terapie, regenerativní medicíny až po podávání léčiv a tkáňové inženýrství. Diskuse je zaměřena na reálné návrhy a aplikace biomateriálů, v nichž integrované biomolekuly hrají klíčovou roli nad rámec svých specifických funkcí. Pokrytí a diskuse jsou zaměřeny na různé konstrukční strategie, které využívají různé biomakromolekuly, jako jsou proteiny, nukleové kyseliny, sacharidy a lipidy, pro výrobu inteligentních biomateriálů. Dále jsou popsány minimalistické nebo redukcionistické přístupy, při nichž se k výrobě biomateriálů napodobujících přírodní systémy používají oligomery a základní stavební bloky (monomery) biomakromolekul, jako jsou peptidy, peptidomimetika, oligonukleotidy, oligosacharidy, mastné kyseliny, aminokyseliny, nukleotidy, cukry a jejich kombinace. Diskuse je systematicky uspořádána tak, že biomateriály odvozené od biomakromolekul jsou popsány v oddílech věnovaných biomateriálům odvozeným od proteinů, nukleových kyselin, sacharidů a lipidů. V každém oddíle jsou diskutovány redukcionistické přístupy k návrhu a výrobě biomateriálů využívajících oligomery nebo základní stavební bloky (monomery) biomakromolekul. Hlavním cílem tohoto článku je představit významné zprávy z literatury ve snaze poskytnout okouzlující vnímání biomateriálů odvozených od biomolekul. Dále je zde uvedena hrstka příkladů křížení, kdy jsou dva nebo více typů biomolekul spolu se syntetickými molekulami a materiály použity ke konstrukci biomateriálů, které jsou zahrnuty do sekce hybridních biomateriálů. Hluboká a kritická diskuse o návrhu, výrobě a aplikacích biomateriálů odvozených od biomolekul je prezentována s ohledem na vhodné a důležité příklady jednotlivých typů biomolekul. Nakonec v oddíle Závěr a výhled nabízíme současný stav a budoucí perspektivy tohoto rozvíjejícího se oboru. Kromě uvedení údajů z vybrané primární literatury uvádíme v každé části potřebné ilustrace a výhledy do budoucna s ohledem na přirozený výskyt, užitečnost, praktický zdroj a aplikace biomateriálů odvozených od biomolekul.