蚕丝蛋白:伤口愈合和皮肤再生的一个有前途的工具

文摘

丝绸是一种功能性蛋白生物材料如苍蝇产生的各种各样的昆虫,蚕,蝎子、蜘蛛、螨。由桑蚕丝合成广泛研究了其在组织工程中的应用和伤口愈合。丝无疑是一个自然的生物相容性材料在人类和其作用从古代医学治疗。桑蚕蛋白包括两种类型的蛋白质即丝素和丝胶。蚕丝蛋白占大约70%的重量和茧已广泛应用于纺织品和所有的生物医学应用程序由于其生物相容性、无毒、可生物降解,减少免疫原性,noncarcinogenic自然。它具有优秀的韧性和机械强度,而蚕丝丝胶具有高防守能力对抗紫外线和氧化。蚕丝蛋白已经知道引起伤口愈合通过增加细胞增殖和生长和迁移涉及到各种类型的细胞在伤口愈合过程的不同阶段。与几个丝绸品种像桑蚕丝素,蚕丝丝胶、重组丝绸材料,和本地蜘蛛丝一直在追究其伤口愈合应用在过去的几十年。客观的利用丝绸再生能力,丰富的策略研究和应用开发人工皮肤移植和生物活性伤口敷料在最近一段时间。本文给出了一个详细的了解结构、一般性质,蚕丝蛋白性质结构关系,和丝蛋白的生物医学应用。

1。介绍

丝绸是常见的蛋白质聚合物由蚕等各种昆虫,蜘蛛和蜜蜂。丝绸纤维从不同物种不同蚕丝蛋白序列,结构特性,和初级序列。丝绸的主要部分是由两种类型的蚕:没有桑(野生品种)和驯化的桑树。桑蚕丝是由家养蚕的家庭家蚕(b .森)。蓖麻(Philosamia ricini/赛米亚ricini),蒙加(Anthrraea体式/ assamensis)和Tussar (Antheraea mylitta)野生品种的主要来源/天蚕蛾科/ nonmulberry丝(1]。蛛丝比桑蚕丝具有更高的机械强度。然而,由于蛛丝短缺,国内家蚕丝中使用最广泛的商业丝绸业务(2]。只有从桑蚕丝被大规模生产在过去,它最近被作为生物材料由于其持久的特点和可用性(3]。

1.1。丝素蛋白的结构和属性

丝素和丝胶是两种蛋白质中发现丝绸的家蚕蚕:前者是发现内部的线程和丝绸的重量约占70%,而后者位于薄层围绕内部线程和占剩下的30%,还拥有脂肪/蜡(0.8 - -1%)和颜色/灰(1 - 1.4%)4]。蚕丝蛋白是由蚕腺体后,虽然丝胶是蚕的中产和腺体前发布的,在图所示的形态1。

丝绸是一种天然蛋白质聚合物,已被美国食品和药物管理局(FDA)医学使用。蚕丝蛋白与桑蚕丝m4ade外层丝丝胶被移除后,激活免疫反应的能力当加上蚕丝蛋白(6,7]。旋转时,幼虫释放两个很薄(10μ米直径)蚕丝蛋白通过喷丝板双链,同时结合在一起的丝胶两个外分泌丝腺(身体的两边对齐)。蛋白质纤维变得更强大和更严格的空气的存在(8]。

丝绸的主要组件是蚕丝蛋白,它作为核心,给机械强度,而丝胶作为外部glue-like涂层。两个蚕丝蛋白细丝丝胶在每个覆盖着的丝纤维(9]。已经假定,蚕丝蛋白纤维是由3.5 nm直径纺锤,丝绸的建筑元素。

这些纺锤交织在一起,彼此有强烈的相互作用,形成更大的原纤维单元,称为微纤维直径是20 - 200海里(10]。蚕丝蛋白纤维平行,微纤维和纺锤排列。丝绸的主要结构蛋白是蚕丝蛋白,其中包括多肽链分子量从200到350 kDa。蚕丝蛋白的主要结构由一个H L复杂组成的光- (L)多肽链和一个沉重的——(H)多肽链连接在一起的一个债券在H-chain糖基二硫化物。此外,糖蛋白P25的共价连接到H-L-chains存在于丝素蛋白并对其整体结构的完整性。H-chain主要是负责丝绸纤维纤维性质。最常见的氨基酸在这个链甘氨酸(46%)、丝氨酸(12%)和丙氨酸(30%)11]。异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸和其他酸性氨基酸大多在nonfibrous L-chains [12]。

由于其生物相容性,逐步瓦解,低免疫原性,适应性,和杰出的机械品质,蚕丝蛋白是生物医学应用程序越来越多地研究[13- - - - - -15]。丝素蛋白具有更强的能力来修改响应的生物环境,这可能导致更好的集成和可能更少材料血栓形成(16]。这个打开的可能性使用丝绸图案作为生物材料的基础与特定的特征。从历史上看,功能品质与特定的氨基酸模式(有关17],可以基因和/或化学处理,同时保留重要的二级结构特征,导致重组丝绸聚合物控制化学反应(我),(2)聚合物的大小,和(3)散装材料的特点18]。蚕丝蛋白已被证明刺激粘附的干细胞,体外繁殖和分化,提高组织愈合,抑制体内病理坚持以各种格式(纤维、电影、网、等)(19- - - - - -21]。蚕丝蛋白(SF)由丙氨酸,丝氨酸和甘氨酸在不同的百分比。因为它的疏水区域,蚕丝蛋白高β表模式,影响其力学特性,生物降解率,提高细胞粘附能力和间充质干细胞的分化。

丝素蛋白是由无定形和结晶的域。Gly-Ala重复的形式分布于整个晶体通过主题域含有酪氨酸和色氨酸的氨基酸。非晶域是由庞大的侧链氨基酸天冬氨酸。导致纤维的非结晶的部分的灵活性和弹性,而水晶部分增加了它的强度和韧性。为家蚕丝蛋白的晶体结构,丝绸I, II, III是三种构象。丝我是水溶性丝素蛋白,有很多版本α螺旋,可以很容易地转换成丝二世拥有一个β表结构反平行的(22- - - - - -24]。不寻常的丝蛋白的构象结构提供机械强度和灵活性6]。丝蛋白的降解研究磷酸盐的12周显示构造的过渡β表随机线圈,降低粘附力和杨氏模量的构造25]。的β单结晶一直在刺激silk-based支架使用各种方法。作为两种流行的无机溶剂,乙醇和甲醇刺激的发展β床单的程度分别为55%和36%,(26,27]。在高温高压蒸汽高压灭菌法,另一方面,诱导最伟大β表结晶度(60%)(28]。另一种方法生成β表(30%)生产当我与大部分丝绸混合螺旋结构是水在环境温度(退火29日]。一个系统性的过程涉及到温度控制水蒸气退火从4°C到100°C来完全控制丝的结构和性能。不同种类的丝绸构象喜欢丝绸和丝绸二世与控制β表可以使用这种技术,和降解性,机械强度,可以调节生物反应(26]。热处理的丝膜和纤维在几个实验室研究已经检查了。颜色、结晶度和机械强度的丝绸都改变温度时提出(30.,31日]。结晶度、机械强度和颜色的丝绸都修改当温度提高。一些研究人员已经研究了热处理的丝膜和纤维30.- - - - - -32]。

丝绸是高度转化为的结构β表,这是普遍的家蚕茧纤维,当铸出丝膜加热到100°C。此外,增加面向丝绸纤维转变温度以上的温度导致的创建β表构象在α螺旋结构(33]。在140°C左右的温度,固态的构象变化α螺旋结构β表二丝结构发生了。的电影表现出吸热融化结晶放热峰,峰值附近140°C,根据调制差示扫描量热法(DSC)。加热的结构性转变温度以上后,β与单纤维的结构b .森茧纤维(图生成2)[32]。

因此,silk-based基质的结构和机械强度可能由不同的温度控制。蚕丝蛋白也被利用制造的纺织品和临床缝合线世代(34]。主细胞和细胞株可以连接到,增殖,分化在丝素蛋白材料(35),可以很容易地用来准备垫(36),多孔支架(37),凝胶(38),和电影39]。

1.2。伤口愈合的丝素蛋白作为生物材料的兼容性

人体的皮肤作为屏障对传染性病原体,脱水,和环境。伤口愈合是一个复杂的过程,包括交互和矩阵与许多细胞,炎症等多个重叠的阶段,新组织创建和组织改造同时发生(41]。伤口愈合的初始阶段是炎症,发生受伤后不久,可以持续两天。防止进一步的液体和血液损失,消除死亡和死组织,并阻止感染,凝血级联,炎症和免疫系统都必须被激活。炎症细胞如巨噬细胞和中性粒细胞在维修过程中扮演的重要角色,包括吞噬作用和许多细胞因子和生长因子的生产42]。伤口愈合是新组织开发的第二阶段,是与沉积胶原蛋白/相关矩阵,reepithelialization,血管生成,和收缩的伤口42,43]。改造或成熟阶段的伤口愈合过程,可以持续一年或更长时间取决于伤害的程度,结合重建表皮和细胞外基质(43,44]。

皮肤再生仍是皮肤修复的目标是为了减少疤痕在个人的长期影响45]。伤口愈合在哺乳动物中是一个修复的过程,在疤痕形成高潮,而不是一个再生过程,替代正常组织架构(46]。疤痕组织不如正常组织的功能和外观。它是由一个产生的细胞外基质(ECM)过度受伤后(47]。胶原蛋白,一个重要的蛋白质影响ECM架构在伤口愈合过程中,主要由成纤维细胞合成,及其合成主要由细胞因子改变生长因子β₁(TGFβ)₁(48,49]。(TGFβ)₁分泌的活性形式转化为活性形式具有以执行其效果。(TGFβ)₁许多细胞如成纤维细胞的形态学变化通过刺激聚合的球状形式活跃的细胞骨架丝状的形式(48]。

真的有很多伤口敷料生物材料在当今市场上,更不用说一些壳聚糖(50),凝胶(51)、聚氨酯(52),海藻酸盐(53),胶原蛋白(54,55)和透明质酸(图3)[56]。透露最广泛的组织工程技术到目前为止仍然Integra,皮肤替代品,这是一个混合的多个ECM蛋白质。利用复合组织工程皮肤可以考虑加快第二阶段修复使用Integra [57]。

以下特点应该出现在一个理想的伤口敷料:(a)保护潮湿的伤口面积,(b)预防干燥和过度的渗出物的吸收,(c)气体的渗透性(d)避免细菌感染和传播的疾病,和(e)耐水性58]。创造最佳的伤口敷料,另一方面,仍在进行中。

2。不同形式的丝素蛋白对伤口愈合操作

2.1。丝素蛋白溶液

丝茧是脱胶在水溶液中0.02 Na₂有限公司₃40分钟沸腾在95°C,然后用蒸馏水洗净去除glue-like丝胶蛋白质产量丝素蛋白溶液(60- - - - - -62年]。那时脱胶丝素蛋白可溶性50分钟与氯化钙98°C,乙醇和水(摩尔比为1:2:8)。这个解决方案随后三天在透析膜过滤得到丝素蛋白的解决方案。丝素蛋白溶液大大体外和体内诱导治疗效果,根据公园等。63年]。随着丝蛋白也被用作滴眼剂帮助兔角膜上皮伤口修复(64年]。

2.2。从蚕丝蛋白Nanofibrous支架

丝素蛋白支架是一个有趣的肤质替代制成蚕丝蛋白。电纺的创建一个pseudo-three-dimensional结构细胞粘附和生长(60,65年- - - - - -67年]。二维支架通过电纺的技术发挥重要作用在皮肤替代产品的制造,包括所有的品质对于一个成功的皮肤再生和伤口关闭68年]。只有电纺的可能具有抗菌活性,是基于离子物种从纤维的运动,从而产生伤口敷料支架或长期控释材料69年]。实际上电纺纳米纤维的制备原位硅凝胶在保利e-caprolactone解决方案作为一个有前途的multibio骨科应用功能材料(70年]。nanofibrous材料的三维结构支持附件的细胞和细胞的增长和控制细胞分化的功能(71年]。实际上电纺复合nanofibrous支架增加了间充质干细胞的成骨分化和增殖在人类和人类内皮细胞血管生成活性体外(72年]。生物可降解非织造保利(lactic-co-glycolic酸)支架使用电纺的可能开发提高心肌细胞的各向异性和各向同性的增长(73年]。同轴电纺生产的空心实际上电纺nanofibrous结构可能是一种很有前途的药物封装方法,使高载药能力和增强溶解不溶解的药物(74年]。

实际上电纺丝素蛋白的生物和机械性能(养)垫直接影响蚕丝蛋白在纺丝液的浓度。在体外和体外创伤模型,实际上电纺丝素蛋白与小尺寸纳米纤维对细胞外基质的影响更强的生产和皮肤细胞增殖(75年]。发展实际上电纺支架具有生物力学特性类似于自然的皮肤,必须优化制造过程。研究成果建立增加增殖的细胞培养在微米大小的纤维76年- - - - - -78年]。细胞可能认为这些支架是二维结构,可能也会允许快速的细胞增殖。支架由细胞形态的纤维可能导致采用人工形态,这可能会影响细胞粘附和迁移基因的表达和tension-sensitive表达途径。这些可能是特别重要的在预防病理性瘢痕皮肤伤口愈合期间或挛缩[78年,79年]。细胞沿纤维长度变得细长,这可能是有用的一个方面为其他应用程序使用,这种形态可能是有益的,包括神经组织工程(80年,81年]。

2.3。从蚕丝蛋白水凝胶

在水溶液中,水凝胶溶胀比高的三维聚合物网络。水凝胶通常是由天然聚合物,如壳聚糖(82年),海藻酸(83年),胶原蛋白(84年),透明质酸(85年],蚕丝蛋白(86年,87年由于其相对较好的生物相容性。水凝胶已被广泛应用于各种生物医学应用程序,包括伤口愈合(88年]。蚕丝蛋白的有益的好处不仅包括诱导细胞附件,开发、迁移、增殖,细胞外基质和创造,但也提高水凝胶的机械强度由其他天然聚合物(89年]。

野生蚕纤维的机械性能如蚕丝蛋白纤维韧性和可扩展性都大于聚合物如凯夫拉尔和弹性蛋白(6,90年]。胶原蛋白和蚕丝蛋白纤维拥有合适的界面粘附,和合并后的支架显示增强的机械性能(91年]。为了一些胶原蛋白的生物学性能和机械阻力的蚕丝蛋白,新的血管组织工程支架的设计应用程序。结果强调,胶原蛋白水凝胶的蚕丝蛋白纤维改善胶原水凝胶的机械阻力(没有任何副作用91年]。研究证据表明,丝绸的鼓舞人心的力学性能是由于由于其层次属性(92年,93年]。仿真和实验结果β表微晶蚕丝绸表明,丝绸的刚度和强度主要是由于的存在β表微晶。氢键intersheet疏水性和范德瓦耳斯相互作用显著贡献的稳定结构。蛛丝的特殊力量和蚕,超过了钢铁,是由于β褶板纳米晶体。蚕非凡的力量和蛛丝,超过了钢铁,是由于β褶板纳米晶体组成的高度保守的保利- (Gly-Ala)和poly-Ala域(94年]。

在体外仿生水凝胶含有丝绸和L-proline显示了相当大的改进在伤口愈合95年]。纯蚕丝蛋白水凝胶的发展高强度和对齐密纹地形结构杰出的机械特性和极强的。水凝胶的生物相容性也允许他们维持细胞生存能力96年]。

2.4。蚕丝蛋白海绵/混合的电影

伤口愈合可以提高丝素蛋白混合形式的海绵和电影。多孔海绵是重要的组织工程材料,他们也一直在用再生丝素蛋白的解决方案(97年,98年]。海绵支架提供一个网络链接的毛孔大表面积在一个预先确定的三维体积,使组织的生成和细胞粘附。丝/鸭脚胶原蛋白海绵混合,根据李et al .,可以使用代替真皮全层皮肤异常(60]。刘等人用冷冻干燥过程创建一个蚕丝蛋白海绵的控释neurotensin-loaded明胶微球治疗糖尿病足溃疡(99年]。neurotensin-releasing脚手架展示良好的药物输送系统和伤口敷料材料在28天治疗后的随访。增加纤维母细胞积累,伤口缝合,伤口肉芽组织的网站,加快伤口愈合在糖尿病足溃疡的小疤痕形成(99年]。Padol等人表明,丝素蛋白膜,作为一个独特的伤口愈合的材料,是一种有效结合表皮生长因子对急性伤口愈合(99年)(表1)。在老鼠,丝膜被用于治疗全层皮肤伤口,他们显示炎症反应更快的治愈和低于典型porcine-based伤口敷料(One hundred.]。

2.5。蚕丝蛋白的伤口愈合机制

NF -κB信号通路被蚕丝蛋白加快伤口愈合(103年]。通过复杂的信号通路,NF -κB控制不同的细胞增殖等行为,附着力,清除活性氧和炎症。因此,NF -κB信号被认为是重要的在角膜上皮等各种创伤的愈合伤口(104年]。在丝绸fibroin-induced细胞,增加表达的肿瘤坏死因子受体(TNFR)和toll样受体(通常),两个关键调解人的NF -κb他们也介导的蛋白表达变化范围调节影响伤口的愈合和NF -κB像表皮生长因子(EGF)、纤连蛋白、血管内皮生长因子(VEGF)、波形蛋白,il - 10(白细胞介素- 10”),IL-1b、转化生长因子(TGF)和细胞周期蛋白。大卫。公园et al。(2019)认为,蚕丝蛋白提高伤口愈合通过改变蛋白质的表达参与改造和扩散阶段通过刺激NF -κB信号(图4)[103年]。

根据Aykac et al .,蚕丝蛋白有保护作用的老鼠模型烧灭活凋亡通路(伤101年]。一些复杂的细胞信号通路Wnt和Notch信号(105年转化生长因子β(TGFβ)信号105年,106年),增殖蛋白激酶(MAPK)信号107年),和一种蛋白激酶/ mTOR信号(108年]发生在一个紧密协调级联愈合伤口在伤口愈合过程中。MAPK信号(109年)和一种蛋白激酶/ mTOR信号(108年)是两个细胞在伤口愈合中发挥作用的途径。

2.6。总结和未来的角度

蚕丝蛋白,因其可靠的生物相容性、显著降低生物降解率与其他材料相比,用户友好的性质,是容易,至少免疫反应对宿主组织,引起了强烈的兴趣在最近几十年里各种神奇的生物医学应用包括伤口愈合。伤口愈合在各种应用程序,它被发现是一个潜在的生物材料在多种形式,包括解决方案,电影,实际上电纺蚕丝蛋白nanofibre垫、水凝胶、水胶体敷料和海绵。因为获得有利的结果在体外和体内,单独使用蚕丝蛋白的前景和在伤口愈合非常有前途的混合。实际上电纺蚕丝蛋白技术加载抗菌药物有或没有预计将是最有效的丝绸fibroin-based皮肤替代品在未来临床试验。构建一系列小说的丝绸fibroin-based生物材料用于治疗不同类型的伤口愈合,需要进一步研究探讨机械基础蚕丝蛋白在伤口上。根据贝尔达马林et al。111年在复习一下,生物材料的行为与老化和解放无机相是有害的找出支架的长期稳定。此外,更多的有机和无机相之间的相互作用的研究是十分必要的。只有很少的研究可描述后的丝蛋白的二级结构变化后无机相交互,这必须详细研究阐明机制。官能团在蚕丝蛋白可用于共价键与无机相的形成,这可能给有关脚手架设计与特定的模式。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

生物技术部门提供的支持,印度科学技术部,政府(Senthilkumar Rajagopal博士;不。:BT / RLF /返回/ 42/2012)成功地完成这个手稿。

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