絲素蛋白在生物醫(yī)藥工程中的應(yīng)用

肖陽 楊瓊 李慶榮 邢東旭 羅國(guó)慶 葉明強(qiáng)*

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東廣州 510610）

蠶絲蛋白主要由絲素蛋白（Silk Fibroin，SF）和絲膠蛋白兩部分組成，其中的絲素蛋白約占蠶絲蛋白總質(zhì)量的70%-80%，為蠶絲蛋白的主要組成部分，主要由甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸等18種氨基酸以多縮氨鍵連接而成。長(zhǎng)時(shí)間以來蠶絲的用途局限于高端紡織纖維，但由于絲素蛋白具有良好的生物相容性和降解性，且無毒、無污染、無刺激性，可通過制備不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的絲素蛋白來調(diào)控其降解速度[1-2]，近年來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。

1 絲素蛋白在醫(yī)療保健中的應(yīng)用

1.1 降血糖作用

中國(guó)古代已有將蠶繭煮食用于糖尿病治療的記載。近年來，研究人員將絲素蛋白的水解產(chǎn)物喂食動(dòng)物或作用于細(xì)胞，在糖尿病治療方面取得了不錯(cuò)的效果。Hyun[3]等通過將不同制劑的絲素蛋白水解產(chǎn)物作用于3T3-L1細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)絲素蛋白可加速葡萄糖代謝和不依賴于胰島素的糖原更替。此外，蠶絲蛋白調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（GLUT），增加其在細(xì)胞表面的表達(dá)和增強(qiáng)GLUT4易位，從而提示糖尿病患者在絲素蛋白作用下體內(nèi)高血糖癥狀得以改善。此外Jun Hong Park[4]等發(fā)現(xiàn)，由高濃度葡萄糖引起細(xì)胞死亡的胰腺β細(xì)胞（HIT-T15），在經(jīng)過50 mg/mL的絲素蛋白處理后其細(xì)胞死亡有所緩解。同時(shí)，絲素蛋白處理還降低了細(xì)胞活性氧（ROS）水平，提高了增殖細(xì)胞核抗原（PCNA）的免疫反應(yīng)性。通過TUNEL檢測(cè)還發(fā)現(xiàn)絲素蛋白保護(hù)HIT-T15細(xì)胞免于葡萄糖誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，提示絲素蛋白可能通過降低細(xì)胞的ROS水平來使細(xì)胞免于死亡。將絲素蛋白作為糖尿病或高血糖癥的候選治療劑，不僅可以降低血糖值、緩解糖尿病和其他并發(fā)癥的癥狀，還可以避免某些糖尿病藥物帶來的不良反應(yīng)，是具有較好生物醫(yī)藥前景的天然材料[5]。

1.2 抑菌作用

將絲素蛋白水解成絲素肽，置于自然環(huán)境中數(shù)小時(shí)，可觀察到菌落數(shù)目比對(duì)照有不同程度地減少，表明絲素肽具有一定的抑菌作用[6]。將絲素水解液加入到辣泡菜中，發(fā)現(xiàn)其可明顯抑制乳酸菌的生長(zhǎng)。根據(jù)其較好的抑菌特性，可開發(fā)相應(yīng)的抗菌藥物加以利用[7]。

表1 不同濃度的絲素肽對(duì)空氣中雜菌的抑制效果比較（菌落數(shù)目）

2 絲素蛋白在生物醫(yī)藥工程中的應(yīng)用

2.1 藥物緩釋

由于絲素蛋白具有生物降解較緩慢、對(duì)生物體無毒害作用、生物相容性良好等特點(diǎn)，并且有獨(dú)特的力學(xué)性能和獨(dú)特的氨基酸組成，可以通過某些氨基酸的氨基或側(cè)鏈的化學(xué)修飾改變蛋白的表面性能，隨著藥物緩釋生物材料的發(fā)展與趨勢(shì)，絲素蛋白已成為醫(yī)用藥物緩釋載體研究的熱點(diǎn)。絲素蛋白作為藥物緩釋載體，可以減少藥物攝入體內(nèi)時(shí)的暴釋現(xiàn)象，有效放慢經(jīng)皮膚吸收藥物的藥物釋放速度，使藥物在體內(nèi)的作用趨于平穩(wěn)，減少藥物浪費(fèi)，并抑制某些揮發(fā)性成分的蒸發(fā)損失，從而較大程度地提高藥物效果。

以絲素蛋白作為緩釋載體材料，目前主要有水凝膠、薄膜衣、微粒子、納米粒子、通道、支架以及藥片等幾種物理形式，可根據(jù)藥物分子量大小及釋放快慢要求，制成不同規(guī)格的藥物載體[8-9]。泰國(guó)的Lerdchai K[10]等將抗癌物姜黃素和DHA封裝在絲素蛋白/明膠（SF/G）海綿中作為宮頸癌治療的藥物緩釋系統(tǒng)，該SF/G海綿對(duì)正常細(xì)胞無毒性，通過SF/G海綿控制姜黃素和DHA的緩慢釋放，提高了對(duì)癌細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制效果。

2.2 止血功能

目前醫(yī)學(xué)上常用的止血材料主要包括止血紗布、止血繃帶和止血纖維，在使用過程中這些材料存在止血時(shí)間較長(zhǎng)、易造成過敏、易粘連傷口、對(duì)創(chuàng)口感染的抑制率較低等缺點(diǎn)。絲素蛋白由于具有無毒且炎癥反應(yīng)低的優(yōu)點(diǎn)，近年來已有開發(fā)成新型止血材料的研究報(bào)道。許亞陽等利用[11]CaCl2-乙醇-水三元體系在48℃的溫度條件下水解絲素蛋白，獲得平均分子量大小為30 kD的絲素肽。通過對(duì)大鼠肝臟止血模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用30 kD絲素肽處理后的大鼠出血量少、止血時(shí)間較短，止血效果與臨床常用的止血粉Arista相近，而絲素肽具有較好的抑菌效果，且無細(xì)胞毒性，因此在開發(fā)快速止血材料方面具有廣闊的前景。

2.3 傷口愈合

絲素蛋白具有促進(jìn)皮膚組織再生和傷口愈合的作用，經(jīng)過絲素蛋白涂抹處理的皮膚傷口，其愈合的速度比生理鹽水處理的更快速[12]。創(chuàng)傷的發(fā)生容易引起微生物感染，因此具有良好密封性、抗菌性以及保濕性的創(chuàng)面敷料對(duì)傷口的愈合起著重要的作用。絲素蛋白透氣、保濕性強(qiáng)，形態(tài)易塑且安全無毒的特點(diǎn)使其成為制備皮膚創(chuàng)傷敷料的候選材料[13-15]。目前開發(fā)的絲素蛋白創(chuàng)傷敷料主要有絲素膜[15-16]、絲素凝膠[17]、絲素海綿[13.18]、絲素納米纖維以及負(fù)載生長(zhǎng)因子[22]、負(fù)載植物活性成分[23]的絲素創(chuàng)傷敷料等類型，可滿足多種不同需求的創(chuàng)傷治療[24]。

2.4 組織工程支架

近年來隨著絲素蛋白在生物醫(yī)用領(lǐng)域的研究成為熱點(diǎn)，人工血管、人造軟骨及骨組織、皮膚及神經(jīng)組織修復(fù)相關(guān)產(chǎn)品陸續(xù)被開發(fā)出來，這些材料為組織修復(fù)提供了細(xì)胞生長(zhǎng)的良好支架[25-28]。

2.4.1 人工血管

絲素蛋白能促進(jìn)細(xì)胞增殖，有著良好的組織相容性及較好的機(jī)械性能，降解速率慢，是開發(fā)人工血管的候選材料[25]。朱晨輝等[29]將類人膠原蛋白與絲素蛋白以質(zhì)量比7：3混合，獲得類人膠原蛋白-絲素蛋白管狀支架，該支架具有均勻的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為（60±5）μm，孔隙率達(dá)到85%以上；具有較理想的力學(xué)性能，應(yīng)變?yōu)?0%±5%，應(yīng)力為（332±16）kPa；降解速率較慢，提高了細(xì)胞的黏附與增殖，具有良好的生物相容性。陳杰等采用軟印刷技術(shù)制備了4種不同微觀形貌的絲素蛋白膜，研究其對(duì)人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)、形態(tài)、排布、增殖功能等一系列生物學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)絲素蛋白覆膜材料能支持血管內(nèi)皮細(xì)胞的正常生長(zhǎng)和增殖，并可以通過絲素蛋白膜表面的微觀形貌影響血管內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)及生物學(xué)行為。

2.4.2 骨組織

近年來，將成骨種子細(xì)胞和絲素蛋白結(jié)合起來制備具有骨修復(fù)能力的絲素蛋白材料已有不少報(bào)道，材料中的絲素蛋白可為骨細(xì)胞生長(zhǎng)、粘附和分化提供所需的空間及環(huán)境。Yashi Jin[31]報(bào)道了一種骨修復(fù)效果較好的3 D類骨生物材料的制備方法，就是利用3D絲素蛋白水凝膠通過離子擴(kuò)散法來調(diào)節(jié)羥磷灰石晶體的成核和生長(zhǎng)。Bhardwaj等[32]在絲素蛋白-殼聚糖三維支架上植入牛軟骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)比例為1：1的絲素/殼聚糖復(fù)合支架最利于軟骨細(xì)胞的形成。目前用于骨修復(fù)的絲素蛋白生物材料，主要有絲素膜[33]、絲素納米纖維[34]、絲素水凝膠[31,35]和絲素支架[36-37]等幾種形式[38]。這些絲素蛋白生物材料可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)修飾以及負(fù)載生長(zhǎng)因子和復(fù)合無機(jī)物等，使其在體外具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化的功能，在體內(nèi)具有誘導(dǎo)新骨形成的功能，然而絲素蛋白生物材料能否完全模擬骨組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并在臨床醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用還有待于深入研究。

2.4.3 皮膚組織

絲素蛋白由于其保濕、美白等特點(diǎn)使其早已廣泛應(yīng)用于化妝品中。由于具有吸水性、透氣性以及其他相關(guān)生物活性，絲素蛋白制備的敷料表現(xiàn)出加速皮膚再生的能力，使其在醫(yī)學(xué)美容領(lǐng)域逐漸成為研究和產(chǎn)品開發(fā)的熱門材料。Sheng[39]等制備了負(fù)載維生素E的絲素蛋白納米纖維墊，這種納米纖維墊防水性能優(yōu)越，負(fù)載的維生素E可以穩(wěn)定釋放，將老鼠皮膚纖維母細(xì)胞在該纖維墊上進(jìn)行體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖比在玻片上要好得多。Guan[27]等通過冷凍干燥法制備了絲素蛋白多孔支架（PSFSs），將PSFSs植入體內(nèi)18天后便發(fā)現(xiàn)新組織已經(jīng)在支架上形成，其組織結(jié)構(gòu)幾乎與正常皮膚相同，按比例分配的功能性血管也可以找到，而侵入PSFSs中的炎癥細(xì)胞在7天內(nèi)就消失了（常用的海綿支架在植入18天后仍可見炎癥細(xì)胞和纖維包膜），從而表明絲素蛋白多孔支架能夠促進(jìn)受損皮膚的恢復(fù)，并表現(xiàn)出突出的組織相容性。

2.4.4 神經(jīng)

應(yīng)用絲素蛋白制備的神經(jīng)導(dǎo)管可為神經(jīng)再生提供有利的局部微環(huán)境，作為橋接結(jié)構(gòu)起到引導(dǎo)和促進(jìn)神經(jīng)再生的作用，從而修復(fù)神經(jīng)的缺損[40]。Lorenz Uebersax[28]等用絲素蛋白膜負(fù)載神經(jīng)生長(zhǎng)因子，控制生長(zhǎng)因子在神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)過程中逐漸釋放，從而能持續(xù)提供細(xì)胞分化所需，促進(jìn)神經(jīng)再生。Yun Gu[41]等制備了基于殼聚糖/絲素蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)修飾支架，用于橋接10 mm的大鼠坐骨神經(jīng)間隙，血液和組織病理學(xué)分析結(jié)果證明了該支架的安全性，同時(shí)橋接后大鼠神經(jīng)再生的效果良好。

3 絲素蛋白在生物醫(yī)學(xué)材料中的應(yīng)用

3.1 手術(shù)縫合線

長(zhǎng)期以來醫(yī)學(xué)上主要使用羊腸線作為可吸收手術(shù)縫合線，但羊腸線具有柔韌性不好、組織反應(yīng)大、吸水后打結(jié)性能差等缺點(diǎn)。絲素蛋白具有良好的打結(jié)性能，且柔韌性好、擴(kuò)張強(qiáng)度低，不易引起組織撕裂，適于應(yīng)用到黏膜組織或擦傷區(qū)域[42]。日本蠶絲昆蟲研究所在蠶絲表面覆蓋有機(jī)硅后編織成軟質(zhì)絹絲手術(shù)縫合線，對(duì)機(jī)體組織不產(chǎn)生任何污染，是一種安全的醫(yī)用手術(shù)縫合線[43]。近年來隨著美容整容行業(yè)的興起，美容用手術(shù)縫合線使用量大大增加，它要求縫線細(xì)、勻而結(jié)實(shí)，細(xì)纖度高級(jí)蠶絲的絲素蛋白成為了它的主要原料[44]。

3.2 固定化酶載體

絲素蛋白是天然的高分子蛋白，具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機(jī)械性能、良好的吸濕、保溫和抗菌性能，是制備固定化酶載體的理想材料[45]。絲素蛋白作為固定化酶載體的應(yīng)用可以追溯到上世紀(jì)70年代，Grasset等通過重氮化和吸附、交聯(lián)等方法將堿性磷酸酶固定在絲素纖維上。Chen[47]等將酯酶固定在平均纖維直徑180 nm、厚度60μm的電紡絲素蛋白納米纖維膜（SF NFMs）上，用于通過酯交換反應(yīng)催化生產(chǎn)丁酸香葉酯，這種SF NFMs可以負(fù)載10.7%的酶量，相對(duì)酶活性可達(dá)到無固定化酯酶的120%。除磷酸酶和酯酶外，葡萄糖氧化酶、超氧化物酶、天冬酰胺酶、中性蛋白酶、胰島素等多種酶以及肽均能通過生物偶聯(lián)方式固定于絲素蛋白納米顆粒上[48]。

4 結(jié)語

長(zhǎng)期以來，我國(guó)的蠶桑業(yè)沿襲種桑養(yǎng)蠶、結(jié)繭繅絲的傳統(tǒng)老路，終端產(chǎn)品單一，產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)車?guó)際生絲價(jià)格波動(dòng)的影響較大。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的劣勢(shì)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展日益凸顯，傳統(tǒng)蠶桑業(yè)規(guī)模趨于萎縮。21世紀(jì)逐漸發(fā)展起來的蠶桑多元化利用，已在食品、藥用保健、化工等多方面取得突破性進(jìn)展，研發(fā)出一系列產(chǎn)品，大大拓展了蠶、桑資源的應(yīng)用領(lǐng)域，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

家蠶絲素蛋白產(chǎn)量大，可為醫(yī)藥保健、組織工程提供大量的天然蛋白原料。絲素具有優(yōu)良的生物和機(jī)械性能，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，可單獨(dú)或與其他材料（如絲素蛋白/多聚物材料等）相結(jié)合，開發(fā)高附加值的生物新材料和醫(yī)用產(chǎn)品。一方面可提高居民的醫(yī)療健康水平和生活質(zhì)量；另一方面，新拓展的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)苌z價(jià)格等因素的影響小，可保持穩(wěn)定可持續(xù)的蠶繭需求，在企業(yè)獲利的同時(shí)也能帶動(dòng)蠶農(nóng)的積極性，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

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