絲素蛋白藥物控釋系統(tǒng)研究進展

趙寶成袁天祥綜述 馬寶通審校

（天津市天津醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，天津300211）

控釋制劑是指能夠控制藥物釋放速率使其符合藥物動力學需要，使藥物在體內(nèi)較長時間維持恒定治療濃度，藥物以受控形式恒速釋放或者受控局限在特定吸收部位釋放的一類制劑。優(yōu)點是：可在局部獲得持續(xù)較高藥物濃度，保持較低血藥濃度，提高療效，降低毒副作用。

常用載體材料分為非生物降解材料和可生物降解兩類材料。前者代表是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），后者包括天然和合成材料兩類：如殼聚糖、海藻酸、瓊脂、淀粉類材料、纖維蛋白和膠原蛋白，鈣基載體，硼酸玻璃及上述材料的聚合體、脫鈣骨基質(zhì)、聚酯、聚亞胺、聚縮醛等。但均存在一定不足[1]。

絲素蛋白（silk fibroin,SF）除了具備良好的生物相容性和機械強度、可降解、無毒、易于加工外，還兼具非凡的多態(tài)性、穩(wěn)定與控制釋放捕獲其中的蛋白質(zhì)和藥物，有望成為一種新的藥物控釋系統(tǒng)生物材料，成為再生醫(yī)學和治療骨與軟組織疾病的研究熱點之一[2,3]。本文就桑蠶絲素蛋白在藥物控釋系統(tǒng)中的研究及應用，尤其是在骨科領域內(nèi)的最新進展進行綜述。

1 絲素蛋白特性

家蠶（Bombyx.mori）絲素蛋白（SF）由重鏈、輕鏈及糖蛋白P25組成。重鏈約325 kDa，輕鏈約25 kDa，富含18種氨基酸，由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)2部分組成。約含43%甘氨酸、29%丙氨酸、12%絲氨酸和5%酪氨酸。有3類分子構(gòu)象：SilkⅠ、SilkⅡ和SilkⅢ型，SilkⅡ型是蠶絲素蛋白的主要晶型，是蠶絲素蛋白具有高彈性模量和強度的主要原因。在溫度和溶劑影響下SilkⅠ型易向SilkⅡ型轉(zhuǎn)變。等電位點pH為3.6～5.2。

2 機械特性

結(jié)晶是絲素蛋白穩(wěn)定性的基礎，有多種方法可以增強絲素蛋白強度。與彈性蛋白、透明質(zhì)酸、羥基磷灰石納米顆粒共混，或絲素微粒加強。由于具有β-折疊構(gòu)象，結(jié)晶態(tài)的絲素蛋白具有出色地力學性能，無需像膠原那樣進行交聯(lián)處理。SF構(gòu)型受多種因素影響：溫度、SF濃度、剪力、金屬離子、Ca2+、pH、低介電常數(shù)溶劑、甘油、甲醇和制備方法等[4,5]。隨著絲素蛋白濃度的增加，孔隙減小、變得更均勻，強度也隨之增加。

3 生物降解

生物材料必須同時具有生物活性和生物可控降解性，材料降解要適應功能需要。絲素蛋白主要通過蛋白水解降解，蛋白酶優(yōu)先降解絲素蛋白無定形區(qū)。絲素材料的降解程度與結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征（纖維，膜，多孔材料），以及酶的種類有關。研究表明，絲素蛋白絲的降解可以按預定的速率變化[6]。

影響材料降解的因素包括：植入部位、力學環(huán)境、植入物體積和β-折疊數(shù)量。通過不同制備方法生產(chǎn)用于藥物釋放快慢要求的載體，降解的速度與材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象含量有密切的關系。SilkⅡ結(jié)構(gòu)含量能明顯地影響材料的降解速率，SilkⅡ結(jié)構(gòu)含量減少會加快降解。絲素纖維因其高度規(guī)整和大量SilkⅡ結(jié)構(gòu)的存在而不易被降解，對于規(guī)整性相對較差的膜材料，更容易酶解。此外，絲素溶液濃度、處理方法、絲素蛋白的分子量、共混都能改變和調(diào)節(jié)絲素蛋白材料的降解速度[7,8]。

4 絲素蛋白藥物控釋系統(tǒng)及應用

藥物控釋系統(tǒng)要求保持藥物活性和療效，確保安全。在制備、貯存和體內(nèi)、外釋放時均能穩(wěn)定藥物。絲素蛋白通過共價結(jié)合、吸收、俘獲和包封等方式發(fā)揮穩(wěn)定負載的蛋白質(zhì)和小分子藥物的作用[9]。

藥物釋放機制包括：溶劑透入、彌散和生物材料降解。藥物釋放呈多相性。俘獲在材料內(nèi)的藥物因無彌散通道無法通過彌散釋放與材料表面相通，與其他包封的具有與表面相通彌散通道的藥物也不連通。藥物分布也并不均一，藥物形成的集合區(qū)大小不一。分子量越大，被俘獲的藥物越多。解決方法在于通過增加初始藥量、超聲波降解或凍融方法減小藥物集合區(qū)而增加集合區(qū)的聯(lián)系[10]。

絲素蛋白可塑性強，能根據(jù)需要制備成多種形態(tài)，作為藥物和典型化合物的控釋材料，如蛋白質(zhì)、染料、細胞/生長因子、抗生素、化療藥物和其他小分子藥物等?；诮z素蛋白的藥物控釋系統(tǒng)主要有：絲素微球/微囊控釋系統(tǒng)；絲素膜控釋系統(tǒng)；絲素凝膠控釋系統(tǒng)：涂層；多孔支架（海綿）控釋系統(tǒng)。

4. 1 微球/微囊控釋系統(tǒng)

絲素微球/微囊的緩釋效果好，但是藥物包封率較低。采用噴霧干燥法制備的SF微球，藥物釋放基本不受包封藥量和脫水劑影響[4]。

Bessa等采用絲素微球包封BMPs，BMPs釋放呈雙相，早期存在藥物爆釋，然后緩慢釋放，長達14 d。成為組織工程領域很有前景藥物控釋系統(tǒng)。Ye等[12]研究利用改良賴氨酸和谷氨酸重復片段的絲素蛋白制備pH敏感性微囊，在pH 1.5～12.0的范圍內(nèi)極其穩(wěn)定，伴隨可逆性膨脹與收縮，膜通透性發(fā)生可逆性改變。Shi等報道自組裝制備的絲素蛋白微粒，F(xiàn)ITCBSA和RhB載藥量越大，藥物釋放越平穩(wěn)。在最大載藥量組，50 d后僅有約23%FITC-BSA和34%RhB得以釋放。而且絲素蛋白微球可增強成骨細胞的活性[13]。Silva等報道采用由牛、人的血漿白蛋白及絲素蛋白包含不同種類的有機溶劑的微球抑制人中性粒細胞釋放的彈性蛋白酶活性，達到糾正慢性創(chuàng)面中彈性蛋白酶及拮抗系統(tǒng)失衡作用來治療慢性創(chuàng)面愈合[14]。

4. 2 絲素膜控釋系統(tǒng)

絲素膜具有較高的藥物包封率，但是緩釋效果一般。為改善絲素膜理化性質(zhì)，采用多種方法增強絲素膜的控釋性能，如凍干法、溶液法等。藥物在絲素膜中釋放與制備工藝、溶液的pH值等有關。復層絲素膜比單層絲素膜的藥物初始釋放濃度大，總釋放時間延長。SF/凝膠/甘油共混消除早期藥物爆釋現(xiàn)象，可能與甘油增加了SF/凝膠結(jié)晶度有關[4]。多層膜結(jié)構(gòu)可抑制早期爆釋現(xiàn)象，保持藥物持續(xù)釋放。絲素蛋白膜的細胞與生物相容性良好，是具有藥物釋放和生物活性雙重作用的生物材料[15]。

Hines等研究表明甲醇溶液能增加絲素蛋白膜的β-折疊結(jié)構(gòu)，提高結(jié)晶度，增加膜表面的疏水性。提高絲素膜載藥量，改善藥物暴釋現(xiàn)象。提高結(jié)晶度，爆釋現(xiàn)象消除，其后蛋白酶呈線性緩慢釋放。藥物分子量越大，被俘獲的就越多。右旋糖酐釋放呈雙相，早期主要是藥物彌散作用，后期則與材料降解釋放有關。甲醇處理后其彌散系數(shù)和被俘獲殘留的藥量均低于未處理組，且與分子量呈線性正相關[11]。

田保中等測定磺胺類藥物在絲素膜中的釋放特性，結(jié)果表明磺胺類藥物絲素膜中基本上以零級釋放，藥物釋放存在一定爆釋，兩步法制成的磺胺類藥物絲素膜，膜正置時的藥物初始釋放速度比膜反置時大許多,可能與分配控制機制有關[16]。

臨床上，張幼珠等將抗菌藥物與絲素膜整合制備成既能保護創(chuàng)面又能從膜中緩慢釋放具有抑菌、殺菌作用藥物的創(chuàng)面覆蓋材料治療燒傷創(chuàng)面，生物相容性良好，取得較好療效[17]。

4. 3 水凝膠控釋系統(tǒng)

絲素蛋白水凝膠為三位立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，廣泛用于具有藥物釋放功能的組織工程支架以有效修復和重建受損組織。Kundu等報道絲素蛋白和聚（乙烯醇）甲基丙烯酸酯共混制備的新型交聯(lián)型水凝膠系統(tǒng)，孔隙大小和分布形式受絲素蛋白比例影響。絲素蛋白呈β-折疊二級構(gòu)象。FITC-右旋糖酐的釋放受絲素蛋白比例及包被的藥量調(diào)節(jié)。具備成為藥物控釋系統(tǒng)的巨大潛能[18]。

Mandal等以絲素蛋白和聚丙烯酰胺制備水凝膠，抗壓強度較高，生物相容性好，錘蟲藍和FITC-菊粉可持續(xù)釋放[19]。

Diab等報道采用大鼠股骨大段骨缺損模型研究含BMP-2的絲素蛋白水凝膠控釋系統(tǒng)與靜電泳制備的聚已酸內(nèi)酯（polycaprolactone,PCL）納米纖維網(wǎng)聯(lián)合促進骨修復能力，結(jié)果表明新骨形成和力學強度均顯著增加。提示該系統(tǒng)有望成為有效治療大段骨缺損的材料[20]。

4. 4 涂層

Wang等采用絲素蛋白逐步沉積法制備納米級控釋涂層，研究表明，釋放性能與晶體含量及絲素涂層的多層結(jié)構(gòu)有關，高結(jié)晶度以及表面絲素較厚的涂層能夠抑制暴釋現(xiàn)象，延長藥物釋放時間[21]。

Pritchard等用絲素蛋白涂層包裹腺苷構(gòu)建可局部應用的藥物控釋系統(tǒng)。研究表明彌散屏障的增加，如增加涂層厚度和結(jié)晶度，可延緩藥物爆釋的發(fā)生，降低每日平均釋放速度，延長釋放時間。包裹8層8%（w/v）絲素蛋白涂層，腺苷呈線性釋放，持續(xù)達14 d[22]。

Zhou等報道將絲素蛋白作為包封萬古霉素的PCL微球的外被層，可減輕萬古霉素早期爆釋現(xiàn)象，延長持續(xù)釋放時間。臨床上，骨髓炎治療成功的關鍵是病灶局部保持高濃度抗生素，局部采用生物可降解藥物控釋系統(tǒng)保持抗生素長期持續(xù)釋放，成為有效消除骨與軟組織感染很有希望的方法[23]。

4. 5 多孔支架（海綿）控釋系統(tǒng)

多孔支架具有藥物釋放和組織再生修復雙重功能。絲素蛋白具有促進骨愈合能力。SF支架及與凝膠或殼聚糖共混改良支架可促進成骨細胞貼附和成骨能力，可能成為成骨生物材料。支架降解速度可直接影響hMSCs成骨能力，促進MSC的ALP活性、成骨細胞分化及其標志物表達，并與SF劑量濃度相關?？梢源龠M大鼠脛骨骨髓原始基質(zhì)細胞表達成骨細胞標志物。作用機制在于抑制Notch激活的基因表達，阻斷Notch報告子的激活而發(fā)揮作用[24]。

Mandal等研究表明，包埋藻酸鈣珠的絲素蛋白立體支架可消除藥物早期爆釋，保持藥物持續(xù)釋放長達35 d。釋放特征取決于整合藥物的分子量。外層的絲素蛋白可提供機械穩(wěn)定性，形成藥物釋放屏障。該支架細胞和生物相容性良好[25]。

Gupta等報道利用小鼠腫瘤模型，采用絲素蛋白-殼聚糖支架與含有抗癌藥物的納米微粒共混治療腫瘤組織切除后組織缺損，藥物釋放長達24 d。無抗癌藥物支架的細胞密度和降解程度均顯著高于含抗癌藥物支架。支架與周圍腫瘤組織整合被有效抑制，腫瘤體積也較無抗癌藥物支架組的小[26]。

Wenk等報道包埋PLGA微粒的絲素蛋白共混支架比PLGA微粒的IGF-I的釋放更持久，而PLGA的降解不受影響[27]。

Wang等利用絲素蛋白支架包埋載有rhBMP-2和rhIGF-Ⅰ的絲素蛋白微球構(gòu)建具有生長因子梯度的藥物控釋系統(tǒng)，生長因子在支架內(nèi)部形成的梯度呈線性變化。與hMSCs共同培養(yǎng)5周，rhBMP-2與梯度相反的rhBMP-2/rhIGF-Ⅰ支架具有誘導hMSCs發(fā)生骨與軟骨分化。研究表明絲素蛋白支架/微球可構(gòu)建生長因子按空間分布的支架[28]。

Zhang等報道，含有編碼BMP-7基因的腺病毒顆粒與絲素蛋白支架可顯著促進新骨形成，表明其可有效轉(zhuǎn)染細胞，促進骨形成[29]。

為開發(fā)用于治療臨床難治的骨與軟組織感染的抗生素控釋系統(tǒng)，Pritchard等制備不同SF形態(tài)藥物控釋系統(tǒng)（SF膜、微球、水凝膠和涂層），研究了相應的抗生素釋放特性。并利用豚鼠感染模型試驗負載阿莫西林SF水凝膠的療效。SF海綿外被SF納米膜負載頭孢唑啉與慶大霉素，持續(xù)釋放分別可達3 d和5 d。SF控釋系統(tǒng)能夠隔離抗生素，并保持其活性，還能持續(xù)釋放具有生物活性的抗生素。由于室溫或體溫下抗生素溶液不穩(wěn)定，因此具有藥物穩(wěn)定作用的SF控釋系統(tǒng)優(yōu)于抗生素溶液的栓劑和制劑泵。研究顯示SF生物材料有望成為一種新型、可定制的局部使用抗生素載體平臺[30]。

5 展望

盡管絲素蛋白在藥物控釋方面的應用研究上已經(jīng)取得一定成果，但臨床應用仍面臨許多問題，如物控釋的高效化、速效化、長效化；絲素蛋白降解與功能發(fā)揮同步化；藥物釋放與組織再生一體化；藥物控釋的時空分布等。隨著生物技術(shù)及控釋技術(shù)的發(fā)展，絲素蛋白在藥物控釋領域?qū)宫F(xiàn)出更廣闊的應用前景。

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