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  骨骼系統損傷的自發修復過程緩慢且臨床干預效果有限，使其成為不可忽視的全球健康問題。基于生物材料的組織工程策略是一種具有前景的治療手段，傳統的生物材料大多來源于動物提取物和化學合成的聚合物，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。基于模塊化蛋白質工程的生物材料 (Modular protein engineering-based biomaterials, MPE biomaterials)的出現，正在逐步克服這些難題。由于其序列可編輯性，MPE biomaterials可以是通過序列設計模擬、拼接和/或創造的細胞外基質材料。同時，MPE biomaterials還具有生產批次穩定和成分明晰的優勢。這些使其在體內和體外研究中被廣泛應用。本綜述廣泛總結了當今被研究的MPE biomaterials，提出了“蛋白序列設計指導組織工程”這一新概念，并提供了MPE biomaterials的生物設計策略和未來可能的研究方向。

圖1 MPE biomaterials的設計理念以及其功能應用

  該綜述首先介紹了不同MPE biomaterials的特征。MPE biomaterials由多肽構成，這些多肽由一種或多種“模塊（包括多肽結構域和寡肽基序）”共價連接而成。它們以重復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、節肢彈性蛋白和自組裝寡肽的重復序列，生物活性基序則種類繁多。設計好多肽模塊后，產生MPE biomaterials的方式主要有基因工程法和固相肽合成法。

圖2 MPE biomaterials的生產方式

圖3 MPE biomaterials對細胞活力的促進

  細胞活力得到保障后，優良的生物材料需要能在體外形成組織工程復合物，由于細胞與MPE biomaterials之間的相互作用，一些多肽結構域或基序的嵌入傾向于軟骨誘導，另一些則會使細胞傾向于骨分化，因此，細胞命運的決定、組織工程復合物的性質以及最終體內修復的結局，都可以通過合理設計多肽序列來調控。

圖4 MPE biomaterials對細胞命運和細胞外基質形成的調控

  在骨骼系統組織工程中，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計，多種方法可將MPE biomaterials的機械性能提升至足以滿足體內修復的水平。

圖5 用于提升MPE biomaterials機械性能的策略

  本綜述提出，MPE biomaterials的創造和應用，是分子生物學、材料科學和再生醫學精美的學科交叉，通過“序列-結構-功能”的設計和應用，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為題發表在Biomaterials上。本文第一作者為浙江大學醫學院博士生易俊志，共同第一作者為浙江大學愛丁堡大學聯合學院本科生劉其，通訊作者為浙江大學歐陽宏偉教授。

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