絲素在組織工程領(lǐng)域中的研究熱點

潘岳林，楊明英，鄧連霞，朱良均

（浙江大學(xué)應(yīng)用生物資源研究所，浙江 杭州 310058）

絲素在組織工程領(lǐng)域中的研究熱點

潘岳林，楊明英，鄧連霞，朱良均＊

（浙江大學(xué)應(yīng)用生物資源研究所，浙江 杭州 310058）

絲素蛋白因其特殊的機械性和良好的生物相容性、生物降解性在組織工程領(lǐng)域中得到廣泛的關(guān)注。本文通過介紹絲素蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，綜述了絲素蛋白在骨組織、軟骨組織、皮膚組織等方面的應(yīng)用進展，并對絲素蛋白在組織工程臨床應(yīng)用提出了幾個亟待解決的問題。

絲素蛋白；組織工程；應(yīng)用

隨著人們骨缺損、軟骨損傷、皮膚燒燙傷等疾病發(fā)病率的增加以及捐贈者數(shù)量的限制，組織工程應(yīng)運而生。組織工程是將人體各種缺損組織或器官的細胞在體外培養(yǎng)擴增后，采用物理、化學(xué)、生物的方法制成細胞-支架復(fù)合體植入缺損部位，從而實現(xiàn)缺損組織的治療目的。由于支架材料是細胞生長的基礎(chǔ)，所以良好的支架材料必須滿足無毒、一定的機械強度、良好的生物相容性、生物降解性以及可塑性等要求［1，2］。聚合物、金屬以及陶瓷等材料被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域，但也存在各自的局限性，沒有一種合適的生物材料可以同時滿足所有組織支架的要求。近年來絲素蛋白因其良好的理化性能，在組織工程領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注與研究。

1　絲素蛋白的結(jié)構(gòu)和性能

蠶絲是由絲膠蛋白、絲素蛋白以及少量的色素、碳水化合物構(gòu)成。絲素蛋白是蠶絲的主要蛋白質(zhì)，由18種氨基酸組成，其中帶親水基團的絲氨酸、酪氨酸、門冬氨酸等占總量的31%，其特征氨基酸帶有氨基和羧基，具有兩性電解質(zhì)性質(zhì)［3～5］。絲素蛋白的主要二級結(jié)構(gòu)可分為無規(guī)卷曲、α-螺旋和β-折疊，可通過改變溫度、pH值、剪切力等處理將不穩(wěn)定的無規(guī)卷曲和α-螺旋轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的β-折疊結(jié)構(gòu)。絲素蛋白的的結(jié)晶形態(tài)主要為SilkⅠ和SilkⅡ，SilkⅠ結(jié)晶形態(tài)難以保持統(tǒng)一性，SilkⅡ是反平行的β-折疊結(jié)構(gòu)［6，7］。近來也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)SilkⅢ結(jié)晶構(gòu)象，其結(jié)構(gòu)主要是左手三重螺旋［8］。絲素蛋白的氨基酸排列順序決定其二級結(jié)構(gòu)，從而決定其具有良好的機械性能和理化性能，如可塑性、生物相容性、生物降解性、緩釋性等，通過對其進行加熱、冷凍干燥、有機溶劑處理等方法可以獲得不同的絲素蛋白形態(tài)，如纖維、微球、支架、膜以及凝膠等［9，10］。絲素蛋白的無毒性以及低免疫原性、良好的生物相容性、緩慢的降解速度為其應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域提供了可能。

2　絲素在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1骨組織工程

膠原蛋白和羥基磷灰石是骨的主要成分，能夠使骨具有一定的機械性能、韌性以及抗壓抗扭轉(zhuǎn)能力，因此在骨組織工程中，研究者主要以羥基磷灰石為主要成分復(fù)合絲素蛋白制備多孔支架。

Wang等［11］研究了絲素-羥基磷灰石復(fù)合物培養(yǎng)骨髓間質(zhì)細胞對兔子骨缺損的影響，經(jīng)過對比不同比例、孔隙大小、孔隙率的絲素-羥基磷灰石在大鼠的降解性，發(fā)現(xiàn)SF/HA-3可以作為細胞培養(yǎng)支架有效地進行骨修復(fù)治療。Kweon等［12］進一步研究了納米羥基磷灰石/絲素復(fù)合物對兔子顱骨缺損的治療，研究發(fā)現(xiàn)納米羥基磷灰石復(fù)合物能夠明顯加快骨的形成并快速修復(fù)缺損處。

2.2軟骨組織工程

軟骨是一種無血管、無神經(jīng)的結(jié)締組織，主要由膠原組織、細胞、水份構(gòu)成。作為軟骨組織支架首先要為軟骨細胞提供黏附，絲素蛋白對軟骨細胞具有良好的吸附作用，并可維持其正常形態(tài)和功能，適合建立軟骨組織支架［13］。

眾多研究者采用多糖與蛋白質(zhì)共混的水凝膠來模仿軟骨的自然環(huán)境以期為軟骨組織的生長和再生提供一個最適宜的環(huán)境。Silva等［14］用京尼平交聯(lián)殼聚糖與絲素制備了具有穩(wěn)定規(guī)則結(jié)構(gòu)的殼聚糖/絲素海綿，這種共混物海綿不僅能夠為ATDC5細胞提供良好的附著，促進ATDC5細胞分化，而且能夠誘導(dǎo)軟骨樣細胞再生，為軟骨組織工程提供了選擇。近年來隨著3D技術(shù)的流行，學(xué)者開始進行3-D組織構(gòu)建工程。Bhardwaj等［15］制備了絲素/殼聚糖共混支架，其中絲素作為細胞黏附和增值的培養(yǎng)基，殼聚糖具有類似黏多糖的結(jié)構(gòu)可以進行軟骨修復(fù)。將牛的軟骨細胞在體外用該支架培養(yǎng)兩周后，有細胞接種結(jié)構(gòu)的細胞生長增值要明顯多于未接種的。隨后，Talukdar等［16］又研究了在3D-技術(shù)的絲素支架上細胞接種密度對于關(guān)節(jié)軟骨組織工程的影響，發(fā)現(xiàn)接種密度高會增加軟骨結(jié)構(gòu)的DNA、GAG和膠原蛋白含量，這表明接種密度對于功能性軟骨組織生成具有重要的意義。

2.3皮膚組織工程

人的皮膚由表皮層和不可再生的真皮層構(gòu)成。目前，國內(nèi)外成百上千位燒燙傷患者的皮膚移植問題亟待解決。自體皮膚移植常常面臨供皮區(qū)不足的現(xiàn)象，而異體移植又會引起致敏性、刺激性和細胞毒性等問題。醫(yī)用絲素蛋白皮膚再生膜具有良好的生物相容性，不僅可以保護創(chuàng)面免收外部感染，而且能夠促進皮膚的再生，是一種良好的皮膚修復(fù)材料［13，17］。

Zhang等［18］已證實采用靜電紡絲技術(shù)制備的絲素蛋白支架能夠很好的支持人角質(zhì)化細胞和成纖維細胞的生長。也有學(xué)者采用靜電紡絲技術(shù)制備了絲素/甲殼素、絲素/膠原蛋白納米纖維支架，并探究了人表皮角質(zhì)化細胞和成纖維細胞在共混支架上的黏著、生長和增值等情況，發(fā)現(xiàn)與純絲素蛋白纖維支架相比，共混納米纖維支架能夠加快細胞的生長增值［19，20］。

2.4血管組織工程

絲素蛋白具有抗凝血性能，可以此開發(fā)人造血管和抗血栓物質(zhì)。為了提高絲素的抗凝血性能，可以對其表面進行磺酸化處理，主要采用兩種方式：硫酸處理法、低溫等離子體技術(shù)［21］。

Yagi等［22］通過涂布有絲素蛋白的雙經(jīng)編制的絲素纖維制備了內(nèi)直徑為1.5 mm、長度為10 mm的人造血管，這種絲素人造血管不僅具有良好的物理性能，而且外層的涂層能夠阻止血液的滲漏，避免早期的血栓癥。為了滿足功能性微徑人造血管在外科血管的形成中的需求，Nakazawa等［23］制備了內(nèi)直徑為1.5 mm的絲素纖維血管并將內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞移植到纖維上，發(fā)現(xiàn)該絲素纖維具有良好的拉伸強度并能夠行成內(nèi)皮和介質(zhì)樣平滑肌膜。

2.5肌腱和韌帶組織工程

肌腱和韌帶組織是高密度的結(jié)締組織，強大的物理負荷往往會導(dǎo)致這些組織收到損傷，然而組織內(nèi)部的低細胞和血管含量又延長了其自身修復(fù)的過程［1］，這就要求支架材料具有優(yōu)越的抗拉性能、彈性與韌性，以及結(jié)構(gòu)完整性。絲素蛋白的力學(xué)性能與肌腱相似，具有治療肌腱韌帶損傷的可能性。

Fang等［24］研究了柞蠶絲在組織工程中的體內(nèi)外應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)柞蠶絲素支架能夠促進腱細胞的黏著和增值，小鼠體內(nèi)移植16周后，在再生肌腱中的膠原蛋白主要為Ⅰ型，最大再生肌腱的負載為55.46%，這種柞蠶絲素支架具有良好的肌腱損傷的修復(fù)功能。Sahoo等［25］采用改良的脫膠技術(shù)制備了網(wǎng)狀絲素支架，并在支架上涂布一層絲素/PLGZ納米纖維溶液制備成納米-微支架。研究發(fā)現(xiàn)不僅細胞能夠在支架上快速增值，而且涂布共混層的支架能夠擬補PLGA降解過快的缺點，從而發(fā)揮PLGA對于生成致密結(jié)締組織的優(yōu)點。

2.6神經(jīng)組織工程

神經(jīng)系統(tǒng)分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，周圍神經(jīng)系統(tǒng)的自修復(fù)功能是有限的，因此需要人工神經(jīng)移植物的輔助治療。但是移植物植入機體后會出現(xiàn)炎性侵潤現(xiàn)象，并且如果植入物長期不能降解又會形成纖維性包膜囊，這就要求植入物具有一定的生物相容性和抗壓性，不妨礙神經(jīng)組織在管內(nèi)的生長，并且該移植物最終可以在機體中被降解吸收，從植入部位消失［26］。

Wei等［27］以殼聚糖/絲素支架作為脂肪干細胞的載體和損傷神經(jīng)再生的結(jié)構(gòu)骨架來研究細胞支架載體對大鼠坐骨神經(jīng)的修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)其能夠明顯改善神經(jīng)的連續(xù)性和功能性的恢復(fù)，并能使大鼠骨骼肌受神經(jīng)系統(tǒng)的支配。此外，Wang等［28］用聚左旋乳酸/絲素支架改善神經(jīng)再生機能。Huang等［29］將含有蜘蛛絲纖維的家蠶絲素纖維導(dǎo)管作為大鼠坐骨神經(jīng)的橋梁，研究其修復(fù)效果發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲纖維具有類似施旺細胞和巨噬細胞的應(yīng)答反應(yīng)，該種支架具有優(yōu)越的軸突再生和功能恢復(fù)的效果，有望應(yīng)用于臨床治療。

3　展望

絲素作為一種天然高分子蛋白質(zhì)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有了廣泛的研究，這充分顯示了絲素蛋白作為生物醫(yī)用材料的應(yīng)用潛力。但是，目前將絲素蛋白應(yīng)用于臨床組織工程還存在一些不足，如在制備絲素多孔支架時其孔徑大小不能得到控制，會導(dǎo)致部分細胞的遷移；絲素蛋白在骨修復(fù)中其機械強度需要進一步提高，以適應(yīng)高強度的物理負荷；載入生物信號分子，能夠直達損傷部位，從而提高絲素支架的治療效果。這些問題的解決需要今后研究者的共同努力才能實現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，綜合各方面的高分子材料技術(shù)研究，絲素蛋白在組織工程領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

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Silk Fibroin for Tissue Engineering:Review

PAN Yue-lin，YANG Ming-ying，DENG Lian-xia，ZHU Liang-jun＊
（Institute of Applied Bioresources，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Silk fibroin，as especial mechanical properties，perfect biocompatibility and biodegradability，was widely used in tissue engineering area.This review discussed the application of silk fibroin in the bone，cartilage，skin tissue，et. Furthermore，some problems about the field should be solved urgently.

silk fibroin；tissue engineering；application

S886

A

0258-4069［2016］01-015-04

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-22）

潘岳林（1989-），女，山東煙臺人，碩士研究生，從事蠶絲蛋白生物資源高分子材料研究。E-mail：lin-myyue@163.com

朱良均，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：ljzhu@zju.edu.cn