丝素蛋白基药物载体的应用研究进展

罗元泽, 戴梦男, 李 蒙, 俞杨销, 王建南,2

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院, 江苏 苏州 215123;2. 苏州大学 纺织行业医疗健康用蚕丝制品重点实验室, 江苏 苏州 215123)

家蚕丝(以下简称蚕丝)是天然的蛋白质纤维,作为纺织原料具有其它纤维无可比拟的优越性。蚕丝是一种高纯度蛋白质,是具有良好生物相容性和生物可降解性的生物聚合物,其中占比约75%的丝素蛋白可被制备成微球、水凝胶、管状支架及多孔海绵等[1-3],已广泛用于细胞外基质、组织工程支架及药物载体的研究。丝素蛋白药物载体在生物医药领域的应用开发已成为国内外研究者们极为关注的热点。

随着慢性非传染性疾病,如癌症、炎症和糖尿病等发病率的不断增加,利用可控释放的载体进行药物递送,可提高治疗效果,也是最常用的治疗手段。基于丝素蛋白大分子独特的化学结构及聚集态结构特征,其在生物医药领域尤其作为药物控释载体的应用,也是其它高分子无可比拟的。已有研究显示,以丝素蛋白为载体的药物释放系统不仅可稳定包裹各种小分子化合物[4],还可运输蛋白质[5]和核酸[6]等生物大分子,不仅能降低机体对药物的降解作用,还能通过修饰进行靶向给药,从而提高生物利用度,因此,以丝素蛋白为代表的药物递送系统日益受到关注。本文综述了以丝素蛋白为基材制备的药物递送载体的种类和制备方法,重点阐述了负载药物的主要类型以及在生物医药领域应用的最新研究进展。

1 药物递送系统

药物递送系统通常是指在空间、时间和剂量等方面调控的基础上,将药物有效输送至目的器官,从而增加药物的利用效率,提高疗效,降低成本,减少毒副作用,主要用于治疗癌症、炎症等疾病[7-8]。关于药物递送技术最早的研究可追溯到19世纪50年代,医生首次尝试将药物负载在胶囊中用于递送。现代科学研究中,研究人员通过改变聚合物的物理化学性质来响应外界刺激,如pH值、活性氧、谷胱甘肽、酶、温度和光等[9-11],达到药物负载稳定、延长作用时间和向病变组织或器官靶向释放的作用。

随着医学和材料科学技术的不断发展,药物递送材料开始从合成材料向天然材料转变,而其都应具备可降解性。合成材料如聚乳酸[12]、聚乳酸-乙醇酸[13]等材料的药物载体在病变部位降解后会释放药物,但负载亲水性药物时难以控制释放速率,且降解后易残留有机溶剂而危害人体健康。天然材料来源广、毒性低且性能稳定,具有良好的生物相容性和可降解性,降解后的产物对细胞无毒害作用,还能作为细胞生长、增殖及组织再生的营养成分,如明胶[14]、壳聚糖[9]等,但这些材料存在提纯工艺复杂、分子排列松散或制备不稳定,以及体内降解过快的缺陷。以上可降解性聚合物药物载体也均不具备靶向性和特异性。另外,金属材料也被广泛用于药物载体研究,其团聚率小、清除率高、毒性较低,但生物降解性差仍是临床试验中需要解决的主要难题[15]。目前,用于药物递送载体研究的材料主要有3类,其中天然材料主要有壳聚糖[9]、明胶[14]、多肽[16]、透明质酸[17]、纤维素[18]、脂质体[19]、淀粉[20]、胶原[21]、海藻酸钠[22]和丝素蛋白[23]等;合成材料有聚乳酸[12]、聚乳酸-乙醇酸[13]、聚乙二醇[24]和聚己内酯[25]等;金属材料包括氧化铈[15]、氧化锌[26]等。

丝素蛋白大分子具有独特而规整的化学结构,将其在合适的溶剂中自组装可获得降解可控、形态结构和聚集态结构可控的各种材料,因此是制备药物控释系统的理想原料,在生物医药领域受到了越来越多的关注,本文重点阐述丝素蛋白用于药物递送系统的最新研究进展。

2 丝素蛋白

2.1 丝素蛋白的结构

丝素蛋白来源于蚕丝的丝芯,包含重链(H链,约350 ku)、轻链(L链,约25 ku)和P25糖蛋白(约30 ku)3个亚单位,占蚕丝质量的70%～80%。丝素蛋白由20种氨基酸组成,其中主要组成部分包括:亲水性的丝氨酸和酪氨酸分别占12%和5%,疏水的甘氨酸和丙氨酸分别占46%和29%。重链和轻链由各自C末端的二硫键相互连接形成复合体,P25糖蛋白主要通过疏水相互作用与复合体相结合起稳定作用。重链约占丝素蛋白分子质量的92%[27],包含11个疏水结构域,通过酰胺键的氢键作用形成稳定的反平行β折叠结构,因此,丝素蛋白材料的性状和性质相对比较稳定,其疏水氨基酸残基可通过疏水相互作用和π-π堆积增强疏水性药物的包封[28]。另外,丝素蛋白肽链上丰富的氨基和羧基经过修饰后可赋予其靶向性[29],完成递送后丝素蛋白在体内降解为可溶性的氨基酸和肽段,在保留药效的同时具备优良的生物安全性,不会导致给药部位引起炎症反应。再生丝素蛋白可自组装为结晶高聚物,结晶形态主要包括Silk I和Silk II 2种,晶格中整齐紧密的链段排列可防止所包载药物的突释,延缓药物释放,降低突释药物对机体的毒性,延长药物功效,且可通过物理或者化学的方法对丝素蛋白的结晶形态和结晶程度加以调控,从而对其进行精细的释药机制调控及靶向功能基修饰,尤其对于负载蛋白和基因这类易失活的药物有着极其重要的研究意义。

2.2 丝素蛋白药物递送系统的制备方法

以丝素蛋白为原料开发的多种形式的药物递送系统中,研究较为深入的主要有纳微球[30]、水凝胶[2]和微针[31]。另外,丝素蛋白常用于合成高分子材料表面的涂层载药修饰[32],或者制备成丝素蛋白膜[33]和多孔材料[34],通过负载药物以提高其治疗效果。图1示出丝素蛋白用于药物递送的主要类型[31-32]。表1列举了丝素蛋白用于药物递送载体的主要制备方法。

表1 丝素蛋白药物载体的制备方法Tab. 1 Preparation methods of silk fibroin drug carriers

2.2.1 丝素蛋白纳微球药物载体

使用丝素蛋白纳微球可绕过首过效应,减少药物在胃肠壁和肝脏中的代谢,提高进入体循环的药量。将药物包裹在纳微球中还能有效避免体内酶的降解,即使采用静脉注射也不会造成血药浓度的波动,从而提高药物疗效,主要用来治疗癌症。目前已报道的丝素蛋白纳微球制备方法,包括自组装法[30]、喷雾干燥法[35]和溶剂蒸发法[36]等,通过不同的制备方法可获得粒径不同的纳微球,从而负载不同的药物以及采用适合的临床注射方式输送药物至病变部位。如采用喷雾干燥法制备的负载顺铂的丝素蛋白纳微球,其粒径大小可根据喷雾干燥器的参数,如入口温度、雾化流量和溶液进料速率而调控,低进料速率和高雾化流量可制备小于5 μm的纳微球用于肺部给药[35]。

2.2.2 丝素蛋白水凝胶药物载体

丝素蛋白含有大量亲水性基团,在氢键、静电相互作用或诱导剂、剪切力作用下,形成具有稳定三维空间网络结构的水凝胶,因其类似细胞外基质的结构和良好的生物相容性,可用来负载药物、接种细胞进行体外培养以及修复缺损组织。常用的制备方法有超声波法[37]、化学交联法[2]和冻融法[38]等。另外,通过改变丝素蛋白溶液的浓度、交联剂浓度、温度和pH值等因素,可调控丝素蛋白结构中无规卷曲和α-螺旋转变成β-折叠的过程,从而调控凝胶转变时间。高温和高交联剂浓度可有效缩短凝胶时间,有研究指出,当丝素蛋白含量为70%、pH值为7.4时,制备的水凝胶具有良好的力学强度和溶胀行为,牛血清白蛋白在该水凝胶中可稳定释放48 h且释放量达(75.1±3.1)%[2]。

2.2.3 丝素蛋白微针药物载体

微针由于其便捷的使用方式和稳定的药效,常被用于治疗糖尿病。微针可减轻皮下注射引起的疼痛,将亲脂量低的药物从角质层输送到皮肤层,从而保护药物不受胃肠道恶劣环境的影响。丝素蛋白用于开发微针载药也受到国内外研究者们的极大关注。大多数释药微针存在易断裂、载药量低和药物释放速率不可控等缺点,而丝素蛋白微针可通过改变后处理条件(如温度、湿度和水蒸气退火)来调控微针的力学强度和药物释放速率,如用水蒸气退火处理8 h的微针与未处理的微针相比,药物释放速率降低了5.6倍,这种微针在有效保留药物活性的同时还延长了药物在体内的作用时间[39]。

2.2.4 丝素蛋白载药膜及表面涂层和多孔材料

丝素蛋白膜、多孔材料和对其它材料的涂层改性在生物医疗领域有着广泛的应用研究。其中丝素蛋白膜主要用于伤口敷料和药物控释。丝素蛋白膜作为药物载体可提供良好的吸附和缓释功能,如用溶液浇铸法制备的丝素蛋白/羊毛角蛋白复合膜负载的双氯芬酸钠呈梯度释放,随着丝素蛋白含量的降低,药物的释放呈梯度增加,不同比例的丝素蛋白/羊毛角蛋白复合膜在释放8 h后药物释放率最高可相差30%,这证明丝素蛋白具有优异的缓释性能[33]。丝素蛋白因其良好的生物相容性和可生物降解性,可对合成材料或不稳定的药物进行涂层改性,主要用于酶和药物的包封。通过改变丝素蛋白涂层的厚度和结晶度可实现对药物释放的精准控制[23],有学者使用不同浓度的丝素蛋白涂层于负载盐酸万古霉素的聚乳酸-乙醇酸微球上,0.1%丝素蛋白涂层的载药微球有效缓解了突释现象[32]。丝素蛋白多孔材料的三维多孔结构可为药物或生物因子的吸附和释放提供充足空间,以利于促进缺损组织再生与修复。如通过冷冻干燥法制备负载雷奈酸锶的丝素蛋白/明胶复合气凝胶多孔材料,该多孔材料在有效吸附和释放药物的同时有利于细胞黏附和增殖,刺激成骨细胞的成骨分化[34]。

3 丝素蛋白递送系统的研究进展

慢性疾病的有效治疗不仅要持续释放药物,还要延长血液中药物的循环时间,减少给药频率,减弱药物不良反应,提高患者的依从性。丝素蛋白药物载体装载技术可通过化学交联[29]或表面包覆[47]等多种方式实施,其中有效载荷的原理主要是通过药物与丝素蛋白大分子间的疏水相互作用或氢键作用,将药物稳定在丝素蛋白载体中。以丝素蛋白为载体的药物递送研究中,装载的药物主要是抗肿瘤药物、抗菌消炎药物以及蛋白类生物因子和基因(见图2)。

3.1 丝素蛋白用于抗肿瘤药物载体

常见的抗肿瘤药物分为疏水性和亲水性药物,疏水性药物包括姜黄素、喜树碱和紫杉醇等,而亲水性药物包括阿霉素、吉西他滨和长春新碱等[48-50]。

疏水性药物姜黄素是一种来源于姜黄的天然多酚,具有良好的抗癌和抗炎特性,在体液中不稳定且代谢较快。有研究指出丝素蛋白对疏水性药物具有更优的负载能力,如对丝素蛋白和丝素蛋白/壳聚糖2种纳米颗粒负载姜黄素用于对抗乳腺癌细胞的研究中发现,丝素蛋白/壳聚糖纳米颗粒的包封率小于纯丝素蛋白纳米颗粒的包覆率,这是因为壳聚糖的亲水性影响了对疏水性姜黄素的负载[7]。通过超临界CO2工艺制备的丝素蛋白纳米颗粒可提高姜黄素的溶解度,该纳米颗粒的最高载药率和包封率可达(12±0.62)%和(36±1.9)%[51]。改变丝素蛋白载体的pH值也是调节其载药能力的一种手段。有研究认为在低pH值下制备的丝素蛋白微球具有更好的化学和蛋白水解稳定性,以及更持久的药物释放性能,当pH值为3.6时可获得约为60%的包封率(姜黄素),这归因于姜黄素可通过疏水相互作用和丝素蛋白在等电点附近形成更多的β折叠结构[28]。另外,研究人员将纳米二氧化硅与丝素蛋白复合制备的微胶囊对姜黄素的包封率高达95%,复合微胶囊的体外药物释放持续时间比纯丝素蛋白微胶囊长,且可通过调整丝素蛋白的含量来调节药物释放速率,这是由于纳米二氧化硅和丝素蛋白之间的强静电相互作用,使得复合微胶囊的外壳孔隙更少且更加致密,从而延缓了姜黄素通过壳基质的扩散(见图3)[4]。最近有研究报道了在丝素蛋白装载姜黄素的纳米颗粒表面进行环五肽(cRGD)修饰来实现靶向给药,结果显示人膀胱肿瘤细胞对cRGD功能化的丝素蛋白/姜黄素纳米颗粒的摄取能力比未功能化的丝素蛋白载药纳米颗粒有显著提高,这是因为 cRGD对整合素αvβ3和αvβ5具有高亲和力,而这2种整合素在肿瘤细胞上被过度表达,肿瘤细胞表面过表达的整合素αvβ3和αvβ5会主动识别cRGD功能化后的丝素蛋白载药纳米颗粒。这种靶向药物载体可有效提高癌症类重大疾病的治疗效率并保护正常细胞[29]。

图3 二氧化硅纳米粒子稳定的乳状液和丝素蛋白微胶囊的形成过程及其在输送系统中的应用示意图Fig. 3 Schematic of process for formation of pickering emulsions and silk microcapsules and their applications in delivery systems

亲水性药物代表阿霉素是一种周期非特异性药物,对各种生长周期的肿瘤细胞都有杀灭作用。有学者尝试制备负载阿霉素的丝素蛋白纳米颗粒,当阿霉素与丝素蛋白的质量比为1∶24时,纳米颗粒对阿霉素的包封率高达95%[48],该纳米颗粒可有效作用于溶酶体营养型抗癌纳米药物并克服多药耐药性,但缺乏肿瘤靶向能力且药物疗效较低。研究发现将叶酸偶联于丝素蛋白制备的丝素蛋白/叶酸纳米载体提高了被乳腺癌细胞摄取的能力,从而实现肿瘤靶向性[52]。叶酸是细胞合成核苷酸的必要营养物,叶酸受体可在正常细胞上低表达而在肿瘤细胞上过表达,因此可利用这个生物学原理制备纳米载体用来靶向给药、提高治疗效率[53]。使用化学交联法制备的药物载体容易残留少许有机溶剂,对人体健康存在影响,而使用磁性靶向法可不对载体进行化学修饰,不涉及有机溶剂,是一种具有生物安全性的药物载体靶向性改性手段。如采用盐析法制备的氧化铁/丝素蛋白微球负载阿霉素,其载药量为3.3%,药物包封率为76%,氧化铁/丝素蛋白微球被人宫颈肿瘤细胞显著内吞,并会选择性地积聚在人宫颈肿瘤细胞的细胞质中,起到靶向治疗的作用[42]。在最近的一项研究中,学者结合光疗和化疗制备了一种负载光敏剂和阿霉素的透明质酸/丝素蛋白纳米粒子,由于透明质酸可被癌细胞高表达的糖蛋白CD44所结合,因此该载药粒子可被肿瘤细胞特异性内化,促进药物在靶细胞中的积累。研究指出该载药粒子的药物释放机制动力来自多个路径:丝素蛋白载药纳米颗粒的透明质酸层在透明质酸酶的作用下降解,从而暴露内部结构释放药物;光敏剂吸收近红外光后会引起高热或产生细胞毒性单线态氧或其它活性氧,高热使得分子间运动加剧从而让药物从内部扩散;而药物还有依赖活性氧浓度释放的特性等,因此该纳米颗粒在肿瘤微环境中可通过多个途径响应性释放抗肿瘤药物,以提高治疗效果[11]。

3.2 丝素蛋白用于抗菌消炎药物载体

阿司匹林是一种常见的抗菌消炎药物,被广泛应用于疾病的治疗中。通过微球包裹阿司匹林可有效提高药物利用率,从而减小对患者的胃部刺激,有学者制备了包裹阿司匹林的丝素蛋白微球,微球的载药率为6.15%,包封率为67.66%,实验结果表明负载药物的丝素蛋白微球可在肠道中缓慢释放[8]。通过静电纺丝也可加载药物,如静电纺丝法制备的负载阿司匹林的聚乳酸/丝素蛋白复合纳米纤维膜,随着负载阿司匹林含量的增加,纳米纤维的直径减小,比表面积增大,药物释放速率增加。这种复合纳米纤维中当聚乳酸与丝素蛋白的质量比为8∶3时,药物释放速率达到最大[47],而且阿司匹林在发挥抗菌消炎作用的同时赋予了复合纤维抗凝血效果,也成为用于研发药物洗脱支架的潜在候选物。另外,一项研究指出,生物活性玻璃的掺入有助于提高药物的加载率和释放率,采用溶胶-凝胶法制备的生物活性玻璃/丝素蛋白复合支架进行载药实验,复合支架中阿司匹林的加载率显著高于纯丝素蛋白支架;在体外释放实验中,3 d后复合支架释放的阿司匹林也显示出比纯丝素蛋白支架更好的释放率[54]。

3.3 丝素蛋白用于蛋白类药物的载体

大量研究表明,丝素蛋白载体对负载的蛋白质如生长因子和生物酶有稳定作用,加上丝素蛋白与这类生物因子同属蛋白质,彼此相容,使其即使在高温和高湿等极端条件下也能保持生物活性和结构完整性。现有这类载体研究中涉及的生长因子如转化生长因子、类胰岛素生长因子[36]和血管内皮细胞生长因子[55],主要功能是刺激相应细胞的生长和分化。关于生物酶如过氧化物酶[56]和L-天冬酰胺酶[57]能起到催化、合成抗生素以及抗肿瘤作用,使用丝素蛋白作为载体可克服它们半衰期短、稳定性差和组织渗透有限的缺点。

3.3.1 丝素蛋白用于生长因子载体

骨形态发生蛋白2(rhBMP-2)可诱导人骨髓间充质干细胞成骨和软骨分化,胰岛素样生长因子1(rhIGF-1)具有促进骨骼生长的作用,有学者分别使用溶剂蒸发法和冷冻干燥法制备了聚乳酸-乙醇酸微球和丝素蛋白微球,2种微球单一负载或同时负载rhBMP-2和rhIGF-1这2种生长因子,然后加入藻酸盐和丝素蛋白溶液制备藻酸盐支架和丝素蛋白支架。在藻酸盐支架中,人骨髓间充质干细胞的成骨分化能力,主要发生在负载rhBMP-2和同时负载rhBMP-2和rhIGF-1的丝素蛋白微球的支架中,而装有相同载药的聚乳酸-乙醇酸微球的藻酸盐支架没有明显的成骨分化效果,这是由于rhBMP-2会在聚乳酸-乙醇酸微球降解后产生的酸性微环境中失活。另一组研究中,丝素蛋白支架装有含2种生长因子rhBMP-2和rhIGF-1的丝素蛋白微球时,诱导人骨髓间充质干细胞软骨分化的效果优于装载单一生长因子rhBMP-2的丝素蛋白微球,这是因为rhIGF-1增强了rhBMP-2诱导软骨分化的效果,而在藻酸盐支架中没有发现这种增强效果,是因为rhIGF-1在丝素蛋白支架中的有效作用量多于藻酸盐支架。这种将丝素蛋白微球和支架相结合的方法为递送生长因子提供了新的思路[36]。

血管内皮细胞生长因子具有促进新血管生成、骨更新、成骨细胞迁移和矿化等功能,有研究结合冷冻干燥法和静电纺丝法,制备用于递送血管内皮细胞生长因子的丝素蛋白/磷酸钙/PLGA复合支架,这种生长因子可在28 d内持续释放且生物活性保持在83%左右[55]。碱性成纤维细胞生长因子在刺激细胞增殖方面起关键作用,将此生长因子负载于丝素蛋白微球中,研究发现在微球表面培养的L929细胞可充分铺展,并产生胶原样纤维基质,与纯丝素蛋白微球相比,负载碱性成纤维细胞生长因子的丝素蛋白微球可显著促进细胞增殖[40]。

3.3.2 丝素蛋白用于酶载体

使用丝素蛋白作为酶的载体,是延长酶发挥功能、保持活性并提高其环境稳定性的一种重要手段。葡萄糖氧化酶最早是固定在丝素蛋白膜中开展研究的,将3.71×10-3U的葡萄糖氧化酶固定在1.1 mg(干态质量)的丝素蛋白膜中,60 ℃下加热20 min后其活性产率仍高达98.7%[10]。之后有学者以脂质体为模板制备负载过氧化物酶的丝素蛋白微球,再分别使用甲醇和氯化钠处理除去脂质,获得具有多层结构的微球,这种微球显著提高了过氧化物酶的负载能力[56]。然而该方法制备的微球形态不均且尺寸较大,为克服该缺点,有学者采用丙酮沉淀法制备载有L-天冬酰胺酶的具有良好球形形态的丝素蛋白纳米颗粒,该纳米颗粒直径最小可达50 nm,且酶活性回收率高达90%,对胰蛋白酶降解的抵抗也极大增加,在血清中稳定性良好[57]。还有研究者在制备的丝素蛋白/四氧化三铁微球表面通过光化学交联法共价结合酵母溶壁酶,结果显示,加载量为100 mg/g时,酵母溶壁酶在微球表面的固定化效率几乎为100%,与游离酶相比,固定化酶在最适pH值为7.5时可保持游离酶84%的活性;当pH值为4时游离酶丧失活性,而固定化酶仍可保持游离酶初始活性的81%。固定化酶可在较宽泛的pH值范围内保持良好的活性,因此,这种微球在固定酶方面具有良好的应用前景[58]。

另外,丝素蛋白海绵和水凝胶也被研究用于装载生物酶,有研究采用丝素蛋白海绵递送凝血因子纤维蛋白原和凝血酶来控制出血,体外实验显示,在凝血酶的诱导作用下,凝血因子纤维蛋白原填充了丝素蛋白海绵的孔隙,形成致密的纤维状蛋白质网络,预示这种材料具备优异的止血能力[59]。最近有研究以丝素蛋白为原料,通过酶促交联法制备同时负载血红蛋白和葡萄糖氧化酶的水凝胶。通过调节丝素蛋白和葡萄糖氧化酶的浓度可控制水凝胶的力学强度和凝胶时间。与游离酶相比,丝素蛋白上的酪氨酸单元在氧化过程中稳定了血红蛋白的结构,因此,固定化酶显示出更高的生物催化效率。该研究团队进一步建立全层皮肤缺损的大鼠模型,评估了载酶水凝胶的伤口愈合能力,14 d后纯丝素蛋白水凝胶的伤口愈合率为75.6%,而载酶水凝胶达92.3%,可见此载酶水凝胶在止血和促进伤口愈合方面极具潜力[5]。

3.4 丝素蛋白用于基因药物的载体

基因输送是将遗传物质如质粒DNA[60]、siRNA[6]等输送到细胞,以取代、调节或表达细胞功能所需的基因或生物因子。丝素蛋白因其对细胞有良好的亲和性、组织相容性和抗DNA酶作用等优点,被认为是一种有潜力的基因递送载体。目前已有较多研究显示,应用丝素蛋白纳米颗粒来递送基因效果显著。有学者应用基因工程技术合成了含聚赖氨酸和RGD序列的重组丝素蛋白,将其制备成负载编码荧光素酶的质粒DNA的纳米颗粒。当重组丝素蛋白与DNA的氮磷比超过1∶2时,颗粒可有效包装、压缩DNA,当氮磷比为2∶1时,制备的纳米颗粒转染人宫颈肿瘤细胞的效率最佳,这种载体的转染效率依赖于RGD基序的数量[60]。

聚乙烯亚胺是一种阳离子聚合物,通常用作非病毒基因载体,被认为是基因转染的黄金标准,但其高密度的阳离子基团对细胞有一定毒性。为解决其细胞毒性问题,有研究将丝素蛋白和聚乙烯亚胺通过静电相互作用结合,制备负载编码内皮细胞生长因子和血管生成素-1质粒DNA的纳米颗粒。结合丝素蛋白后其屏蔽了聚乙烯亚胺过多的正电荷,该纳米颗粒与聚乙烯亚胺/DNA纳米颗粒相比,明显降低了对小鼠成纤维细胞的毒性作用[61]。同样的研究将聚乙烯亚胺/编码绿色荧光蛋白的质粒DNA用丝素蛋白纳米颗粒包被,与聚乙烯亚胺/DNA纳米颗粒相比,加入丝素蛋白后有效降低了人胚胎肾细胞和人结肠肿瘤细胞的细胞毒性,提高了转染效率,并使目的基因有效获得表达[62]。还有研究利用磁性靶向载体来递送DNA,如使用盐析法制备磁性和非磁性丝素蛋白/聚乙烯亚胺核壳纳米颗粒,用于递送c-myc反义寡脱氧核苷酸,转染MDA-MB-231乳腺肿瘤细胞后,与非磁性纳米颗粒相比,磁性纳米颗粒在20 min内通过磁感应摄取的c-myc反义寡脱氧核苷酸要高出70%,更显著抑制了肿瘤细胞增长[63]。

丝素蛋白微球也可用于疫苗的加载研究,如使用乳化交联法制备的负载传染性法氏囊病病毒DNA疫苗的丝素蛋白/壳聚糖复合微球,其疫苗加载率为89.14%,将疫苗注入感染传染性法氏囊病病毒的鸡体内,2周后对鸡血清的病毒抗体检测结果显示,相比于壳聚糖载药微球,丝素蛋白/壳聚糖复合载药微球注入后的体内抗体水平更高,这是由于丝素蛋白具有非特异性免疫促进作用[64]。

除使用颗粒状载体外,还有学者将携带内皮细胞生长因子和血管生成素-1双基因共表达的腺病毒载体装载于丝素蛋白多孔支架,用于Sprague Dawley(SD)大鼠全层皮肤缺损修复,该支架能促进皮肤缺损创面血管网络的快速形成和细胞外基质的重建[65]。经皮免疫是将负载疫苗的贴剂贴于皮肤诱导产生全身免疫反应的方法。有研究将含有mRNA或siRNA的醇质体微球通过喷雾干燥法结合到再生丝素蛋白纤维的表面,制备载有mRNA疫苗(TCIP)和抗PDL1的siRNA(TDSP)的透皮贴剂,以小鼠黑色素瘤为模型进行动物实验,即在小鼠皮肤上贴TCIP(进行预防)后注射肿瘤细胞,然后定期贴TDSP进行治疗,这种联合疗法显著抑制了肿瘤细胞生长,说明该贴剂可将核酸有效递送到皮肤深层,且比单一使用TCIP或TDSP贴剂的治疗效果更好[6]。新冠病毒已肆虐全球,使用逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)技术可及时识别和诊断患者是否感染病毒,并从灭活的全病毒中开发的RNA可作为阳性对照来验证RT-PCR的结果,但由于RNA不稳定,需进行冷链储存和运输以维持其完整性和活性,如能将其稳定包埋并常温运输则意义重大。有研究报道了新型冠状病毒RNA在丝素蛋白膜中的稳定性,与保存在无核酸酶的水中相比,丝素蛋白膜在室温下可将新型冠状病毒RNA稳定保存超过21周,并验证了RT-PCR检测结果的准确性,这对替代冷链运输RNA的方法更加简单方便是有研究价值的[66]。

4 结束语

随着对丝素蛋白生物学功能的不断发掘,在载药形式、靶向治疗以及提高药物利用率方面已经取得了一定的应用研究成果。丝素蛋白除以单一材料制备成纳微球、水凝胶和微针等药物控释载体外,还可与其它功能材料或生物因子,如纳米二氧化硅、生物玻璃等复合,实现靶向和特异性释药等功能。丝素蛋白良好的生物相容性可克服许多药物稳定性差、半衰期短的缺点,起到延长药效、提高药物利用率的作用,这在生物医药领域意义重大。

虽然丝素蛋白拥有其它材料难以企及的优异性能,但仍有不少缺点值得注意,例如丝素蛋白的来源和质量不同,需要标准化提取与限定。虽然通过物理或化学修饰可赋予丝素蛋白靶向递送药物或功能因子的能力,但在进入体内后可能会受到免疫系统的攻击(尤其在初期),以及药物在循环系统运行中可能提前释放或载体瓦解,从而导致靶向释药失败。目前关于丝素蛋白药物递送系统在临床上的应用还未实施,其精确性和有效性还需要长期探索和临床试验。随着材料、化学科学和药学的发展,生物相容性优异的丝素蛋白作为药物递送系统的研发必会进一步走向成熟和应用。