东华大学张耀鹏教授、姚响副教授《Acta Biomaterialia》：野蚕丝素蛋白基生物材料——对细胞行为调控及组织修复的影响
发布时间：2023-04-13浏览次数：202
相比于合成高分子，天然高分子材料成本低廉、容易获得，更易生物降解，且降解产物一般不会引发免疫反应，因而成为了较为理想的生物材料之一。在诸多天然高分子生物材料中，丝素蛋白（Silk fibroin, SF）是一类主要从蚕丝中分离出的蛋白质，其不但可以满足生物材料的基本要求，且具有优异的力学性能，是用于制备生物材料的优良之选。相比于常见的以桑叶为食的家蚕（mulberry silkworm），野蚕（non-mulberry silkworm）多为野外放养，食物种类各异，其中典型代表为分布于中国的柞蚕（Antheraea pernyi）、分布于日本的天蚕（Antheraea yamamai）和分布于印度的Antheraea mylitta、Antheraea assamensis、Philosamia ricini等品种，它们吐丝所形成的蚕茧如图1所示。常见的野蚕丝素蛋白（Non-mulberry silk fibroin, NSF）分子链中具有一些独特的氨基酸序列，这些序列有望赋予NSF基生物材料更优异的综合性能，使其在生物医学领域尤其是细胞培养和组织再生相关领域中具有广阔的应用前景。近年来，为了深入探讨NSF材料的独特性能及其在细胞行为调控和组织修复领域中应用潜力，东华大学纤维材料改性国家重点实验室生物质材料成型加工课题组（张耀鹏教授团队）和该领域科学家们一直在不断地探索新颖的NSF基材料制备方法，并对所制得的功能化NSF材料进行全面的生物医学应用评估，如图2所示。图2 NSF基生物材料的制备及在生物医学领域中的应用（NSF：野蚕丝素蛋白）。 近日，东华大学张耀鹏教授、姚响副教授团队从NSF独特的结构和性能、不同类型NSF基生物材料成型加工方法及其在生物医学领域中的应用（尤其是细胞-材料相互作用规律揭示及组织修复领域）进展等方面系统总结了NSF基生物材料的研究进展（如图2所示），同时也对其发展前景和面临的挑战进行了综合分析。相关内容发表于Acta Biomaterialia (Nonmulberry silk fibroin-based biomaterials: Impact on cell behavior regulations and tissue regenerations, 2022, http://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.09.021)。论文共同第一作者为东华大学博士生邹盛之和姚响副教授，通讯作者为东华大学张耀鹏教授，东华大学邵惠丽教授、葡萄牙米尼奥大学Rui. L. Reis教授、葡萄牙米尼奥大学Subhas C. Kundu教授为共同作者。 该综述首先比较了NSF和家蚕丝素蛋白（Mulberry silk fibroin, MSF）的分子链结构，重点介绍了NSF分子链中独特的氨基酸序列及它们所带来的优异性能。如NSF分子链中独特的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列可使细胞更好的粘附与增殖；独特的聚丙氨酸链段可赋予NSF基生物材料更高的弹性模量和断裂强度（如图3所示）。然后系统性论述了NSF溶液、NSF纳米纤维，以及不同类型NSF基生物材料（微球、膜材、静电纺支架、浇筑支架和3D打印支架）的制备方法及这些生物材料的生物医学应用，尤其是在细胞-材料相互作用规律揭示（化学结构、表面拓扑结构、纤维排列、孔径及孔隙率等特征对细胞行为的影响）和组织修复（如手术缝合线、伤口愈合、神经组织修复、心脏组织修复、骨组织修复）领域中的应用。图3 家蚕和野蚕丝素蛋白分子结构对比示意图。（A）野蚕丝素蛋白；（B）家蚕丝素蛋白。 为了进一步加快或推广NSF基生物材料的应用，作者建议可以从以下方面开展进一步的研究工作：（1）为了更大限度地保留天然NSF的优异性能，需要在NSF结构基元（NSF分子及NSF纳米纤维）的制备过程中尽可能保持NSF原有的结构特征。（2）通过添食育蚕、基因工程、优化成型加工方法、化学改性等手段，可以改良NSF原料及最终制得的生物材料的物理化学结构，以获得性能更为优异的NSF基生物材料。（3）为了加快NSF基生物材料的商用进程，需大力推进将NSF基生物材料植入大型动物乃至人体内进行临床试验评估；（4）如何提升NSF原材料的批次稳定性也是加快NSF基生物材料的商用进程中的一项亟待解决的问题，对此可以进一步发展工业化野蚕养殖技术和NSF结构基元的可控制备技术。 此工作得到了上海市自然科学基金国际合作项目、国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人等项目的资助。 前不久，聚焦于仿生SF材料的构筑及其在生物医学领域中的应用，本团队亦从不同层级SF结构基元的提取方法、各种功能化再生丝素蛋白（RSF）材料的重构策略及其在生物医学领域中的应用进展等方面系统总结了仿生SF材料的研究进展（Bioinspired Silk Fibroin Materials: From Silk Building Blocks Extraction and Reconstruction to Advanced Biomedical Applications, Mater. Today Bio, 2022, 16: 100381)。该综述重点论述了常见的MSF基生物材料的研究进展。本综述则更侧重于论述NSF基生物材料的相关研究进展。综合来看，NSF和MSF基生物材料均具有优秀的生物相容性，在生物医学领域均具有广阔的应用潜力，但实际应用时可能需要根据不同细分领域的应用要求以及NSF和MSF基材料的结构与功能差异来进行合理选择。本团队的这两篇姊妹篇综述互为补充，为提升丝素蛋白的附加值，推广丝素蛋白材料在生物医学领域中的应用，以及开发高效丝素蛋白生物材料的制备及其修饰改性策略等提供了较为全面的参考。http://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.09.021A. pernyi: https:// www.treenwaysilks.com/product.php?product=2209A. yamamai: https://www.wwb.co.uk/current-eggs-and-larvae/antheraea-yamamai-15-eggsA. mylitta: https://www.deviantart.com/j-y-m/art/Antheraea-mylitta-cocoon-91998659A. assamensis: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cocoon_-_Antheraea_assamensis_-_Kolkata_2013-06-04_8552.JPGP. ricini: http://www.wormspit.com/erisilkworms.htm
