史乾坤，王玉鵬，張 浩，周東方

（1.南方醫(yī)科大學藥學院，廣州 510515；2.吉林農業(yè)大學食品科學與工程學院, 小麥和玉米深加工國家工程實驗室，長春 130118）

推進生物醫(yī)用材料這一學科領域發(fā)展的關鍵是開發(fā)可以與生物系統(tǒng)相互作用的生物材料以適用于各種醫(yī)療健康需求。這些生物材料可以直接來自自然界，也可以人工合成（如通過化學反應制備的聚（乳酸-羥基乙酸）共聚物（PLGA）[1]、聚乳酸（PLA）和聚己內酯（PCL）[2]等）。盡管合成生物材料具有巨大的潛力和多樣性，但其生物醫(yī)學應用仍然受到生物相容性、生物降解性及生物再吸收性等問題的限制[3]。由于天然材料在生物相容性、降解性和吸收性方面固有的優(yōu)勢，目前已經成為生物醫(yī)學工程中應用的可行替代品[4,5]。在眾多的天然、可再生和可生物降解材料中，蛋白質基生物材料正引起人們的極大興趣。蛋白質是所有生物領域中普遍存在的重要生物分子，廣泛分布于體內并參與幾乎所有的生命活動，從單細胞原核生物到單細胞和多細胞真核生物（表1），每一種蛋白質都發(fā)揮著自己的作用，共同維持正常的生命活動[6]。例如，白蛋白有助于維持血液的滲透壓，并負責輸送親脂物質，如維生素和激素等[7]；血紅蛋白（Hb）負責體內的氣體（氧氣、二氧化碳、一氧化碳等）輸送；轉鐵蛋白（Tf）負責運輸體內的鐵離子。同時，蛋白質具有以下優(yōu)點：（1）良好的生物相容性；（2）豐富的官能團，如―NH2、―COOH、―SH等，使蛋白質具有較好的功能擴展性能；（3）固有的生物活性，不需要過多的功能化修飾，簡化了合成步驟。雖然蛋白質基生物材料具有諸多優(yōu)點，但是也會引起一定的炎癥反應。針對存在的免疫原性問題，可以通過特定的加工方法除去引起免疫原性的成分，如通過提純的方法制備脫膠絲素蛋白[8]，通過酶解法切除膠原蛋白[9]特定的片段，從而使材料表現(xiàn)出最小的炎癥反應。因此，蛋白質基生物材料憑借其多種優(yōu)勢，被廣泛應用于組織再生的支架、藥物遞送系統(tǒng)和生物傳感器等生物醫(yī)學工程領域[10]。最近已有不少基于蛋白質生物醫(yī)學應用的綜述文獻，例如Abbas等[11]綜述了自組裝肽和蛋白質基納米材料用于抗腫瘤光動力和光熱治療；Defrates等[12]綜述了植物蛋白作為組織工程的支架研究；Misawa等[13]綜述了基于蛋白質的生物傳感器的最新進展。區(qū)別于上述綜述，本綜述將重點總結常用動物和植物來源的蛋白質基生物材料在組織工程、生物電子工程、藥物遞送、傷口修復和制藥等領域已有的臨床應用情況和潛在的應用前景（圖1）。

表1 來自動物，植物和微生物的蛋白質Table 1 Proteins from animal, plant and microorganism

圖1 蛋白質基材料在生物醫(yī)學上的應用Fig.1 Protein-based materials for biomedical applications

1 蛋白質基生物材料及其應用

用于醫(yī)療方向的天然材料有著悠久而豐富的歷史，例如瑪雅人使用珍珠層作為牙種植體，使用腸線作為縫合線。近年來，隨著藥物遞送和組織工程研究的快速發(fā)展，在生物相容性和生物可降解性方面具有獨特優(yōu)勢的蛋白質基生物材料有著不可或缺的地位。

1.1 動物蛋白

1.1.1 絲素蛋白 絲素蛋白作為蠶絲的重要組成部分[14]，是一種低密度的結構蛋白，β-折疊和α-螺旋含量高，核心結構域無規(guī)則卷曲，使得其強度堅韌[15]。另外，絲素蛋白的氨基酸序列因合成蠶絲的物種而異，賦予其獨特的物理和化學性質。絲素蛋白較好的生物相容性和低免疫原性、易加工性、熱穩(wěn)定性和機械強度使得其在組織工程、藥物輸送和生物光學器件等應用中發(fā)揮了重要作用。

臨床上使用的基于天然絲素蛋白的產品包括手術縫合線，韓國世麗（SERI）外科手術支架[16]，用于治療腹壁重建、乳房重建[17,18]和傷口及皮膚病學狀況的絲素蛋白基敷料等。在臨床傷口治療上，與傳統(tǒng)的敷料（藥用石蠟紗布敷料；Bactigras?）相比，絲素蛋白基敷料不會使傷口黏連且可以很好地吸收滲出液[16,19]。還有由Sofregen公司開發(fā)上市的基于絲素蛋白的3D可注射支架聲帶，可以提高音量并且能夠在體內持續(xù)存在12個月以上，并隨著時間的推移被新生組織替代。另外，以絲素蛋白為基質的許多產品還處于臨床試驗階段。表2列舉了部分FDA記錄的臨床試驗產品，主要應用于組織修復、傷口治療以及醫(yī)美整形領域，包括軟組織修復、乳房重建和唇部修整等。絲素蛋白在生物醫(yī)學領域還有多種其他的潛在應用，例如，絲素蛋白作為細胞黏附和增殖的載體和支持基質，有助于組織再生[20-24]；絲素蛋白基質的生物材料在傷口愈合方面的性能已有許多研究，如納米纖維墊[25,26]、涂層[27-29]、水凝膠[30]和多孔支架[31]等，與商業(yè)上可用的產品相比，顯示出更好的愈合性能[32,33]，以及作為皮膚替代物的潛力。

表2 完成人體臨床試驗的絲素蛋白基產品Table 2 Silk-based products completed for human clinical trials

1.1.2 角蛋白 角蛋白是富含半胱氨酸（4%～17%，質量分數(shù)）的纖維蛋白，與中間細絲結合形成大量的細胞骨架和表皮附肢結構，如頭發(fā)、角、羽毛、羊毛、指甲等[34]。角蛋白由不同氨基酸的多肽鏈構成，這些多肽鏈可作為分子間或分子內鍵合的骨架。角蛋白分子內的二硫鍵、氫鍵和離子鍵增加了其結構的穩(wěn)定性和強度[35]。根據硫含量的不同，角蛋白可分為硬角蛋白和軟角蛋白。具有較高硫含量（5%，質量分數(shù)）的硬角蛋白，由短晶纖維嵌入高交聯(lián)的彈性體基質組成[36]。軟角蛋白，具有低硫含量（1%，質量分數(shù)），由松散的細胞質絲束組成，是上皮組織中的細胞骨架元素。

角蛋白基生物材料在生物醫(yī)用領域得到廣泛的研究和應用。例如，在傷口修復領域，角蛋白敷料在慢性傷口如糖尿病傷口中進行了治療測試，取得了良好的治療效果[37]；利用角蛋白水凝膠和紗布繃帶包裹的混合物成功治療了隱性營養(yǎng)不良性大皰性表皮松解癥患者[38]。在腫瘤治療中，放療會對皮膚產生一定的影響，例如微弱或暗沉的紅斑、干性脫屑或急性放射性皮炎。在一項臨床研究中使用角蛋白基敷料減弱放療對乳腺癌患者皮膚的副作用（表3）。雖然目前角蛋白基材料應用于臨床的產品較少，但是已經開展了廣泛的臨床前研究。例如，角蛋白基生物材料可以顯著提高骨間充質干細胞的附著和增殖，使骨密度增加，可達到天然骨的水平，同時減少異位骨的生長[39-41]。角蛋白基敷料具有傷口敷料所需的許多關鍵特性，包括吸收傷口滲出物的成膠能力、良好的吸水率、最佳的水蒸氣透過率、低毒性和生物可降解性等。角蛋白衍生物還可以與蛋白水解傷口環(huán)境相互作用，以促進傷口愈合[42-44]。此外，角蛋白具有豐富的二硫鍵，在藥物遞送中可顯著改善其黏膜黏附性，保護敏感的藥物并增加生物利用度[45]。此外，在炎癥和癌組織中過表達的胰蛋白酶可以將角蛋白分解為無毒的多肽或者氨基酸。因此，角蛋白可以作為藥物載體實現(xiàn)藥物可控釋放用于腫瘤治療[46,47]。

表3 已經完成人體臨床試驗的角蛋白基產品Table 3 Keratin-based products completed for human clinical trials

1.1.3 白蛋白 白蛋白是一種心形蛋白質，包含3個同源域，每個域還包括2個單獨的子域。根據來源的不同，可以分為人血清白蛋白（HSA）、牛血清白蛋白（BSA）等。BSA和HSA是具有76%序列同源性的同源蛋白，主要成分的區(qū)別在于BSA分子中有一個色氨酸殘基。人體中，白蛋白約占血清總蛋白的60%，在生理上具有兩個重要作用[48]：（1）調節(jié)血漿的滲透壓；（2）結合和運輸金屬離子、小分子、疏水物質（如脂肪酸等），維持物質的正常轉運。

白蛋白可以作為一種優(yōu)良載體來裝載藥物、金屬離子或其他有機或無機物質等[49]。由于具有較好的生物相容性和免疫原性，因此可作為載體用于癌癥成像和治療。目前，HSA基載體已在臨床上應用于癌癥、艾滋病以及慢性病的治療（表4）。2005年，F(xiàn)DA批準了白蛋白結合型紫杉醇藥物Abraxane用于臨床治療多種癌癥。除此之外，還開發(fā)了白蛋白結合雷帕霉素和哌替啶來治療骨髓瘤[50]。INNO-206是多柔比星 （DNA 拓撲異構酶 II 抑制劑） 的白蛋白結合前藥，在2017年通過了3期臨床試驗[51]。同時，基于白蛋白納米藥物可以通過光熱療法（PTT）[52,53]、光動力療法（PDT）[54]和聲動力療法（SDT）[55]等不同方式來治療腫瘤。此外，還可以設計具有“all-in-one”特點的納米材料，借助成像功能介導腫瘤治療[56,57]，實現(xiàn)三模態(tài)成像熒光成像（FL）、光 聲成像（PA）、核磁共振成像（MRI）和PDT功能。

表4 已經完成人體臨床試驗的人血清白蛋白基產品Table 4 HSA-based products completed for human clinical trials

1.1.4 轉鐵蛋白 轉鐵蛋白（Tf）是一種碳水化合物質量分數(shù)約為6%的糖蛋白。一個Tf分子由兩個相似的結構域組成，每個結構域都含有一個鐵結合位點，這與它在體內的重要功能相對應，即將鐵離子轉運到器官和組織以維持正常的鐵代謝[58]。

基于Tf基材料，目前已經完成了先天性無轉鐵蛋白血癥、缺鐵性貧血等疾病，以及酒精濫用檢測等的臨床研究。例如，在臨床上治療缺鐵性貧血，對比其他不同類型的鐵離子，Tf具有較好的療效。此外，Tf也應用于慢性腎病、慢性骨髓增生等疾病的治療（表5）。隨著腫瘤在體內的快速生長，導致其對鐵有更高的需求，因此轉鐵蛋白受體（TFRs）在許多腫瘤中過度表達，甚至是正常細胞中的100倍以上[59]。這使得Tf基載體具有腫瘤靶向能力，有利于開發(fā)其在腫瘤藥物靶向遞送中的應用。雖然Tf有諸多優(yōu)點，但是目前還沒有基于Tf的納米藥物處于臨床試驗階段或獲得FDA批準。基于Tf的納米藥物TransMID （Tf通過賴氨酸交聯(lián)劑和硫酯與高效白喉毒素CRM-107結合制備而成）曾進行了治療多形性膠質母細胞瘤的臨床研究，該納米藥物成功通過了I和II期臨床試驗。但是，由于預計會產生陰性結果，最終撤回了III期臨床試驗。到目前為止，大多數(shù)與Tf相關的研究都利用Tf作為靶向基團[60,61]，修飾到其他類型的納米載體表面，如脂質體[62]、碳點[63]、SiO2[64]、PLGA[65]、聚L-賴氨酸[66]、Au納米粒子[67]等?；赥f的腫瘤治療納米藥物研究相對較少，這大概是因為與HSA和BSA相比，Tf要昂貴得多，沒有核殼結構，不利于物質負載。然而，由于其固有的靶向能力和協(xié)調金屬離子或藥物的潛力，尋找新的基于Tf的納米平臺用于有效的腫瘤治療仍然具有重要意義。

表5 已經完成人體臨床試驗的轉鐵蛋白基產品Table 5 Transferrin-based products completed for human clinical trials

1.1.5 血紅蛋白 血紅蛋白是被研究最多的一類呼吸蛋白，它是高等生物體內負責運載氧氣（O2）的一種蛋白質，分別含有2條α肽鏈、β肽鏈，以及一個環(huán)狀血紅素。每一個血紅素，能結合一個分子O2（1 g血紅蛋白能結合1.39 mL O2）并被血液運輸[68]。為解決傳統(tǒng)輸血的問題，如交叉配血、嚴重的血液短缺和病毒交叉感染，被稱為血液替代品的人工氧氣載體已經進行了廣泛的研究。到目前為止，主要有兩種類型的氧氣載體：完全合成氧載體（包括全氟化物和血紅素雜化物）和基于血紅蛋白的氧載體（HBOCs）。在這些氧載體中，HBOCs由于其獨特的輸氧能力受到極大關注[69]，而目前Hb主要臨床研究和主要應用也集中在氧氣載體方面（表6）。

表6 已經完成人體臨床試驗的血紅蛋白基產品Table 6 Hemoglobin-based products completed for human clinical trials

近年來研究發(fā)現(xiàn)，當微生物侵入人體時，紅細胞內的Hb會釋放出活性氧，活性氧能迅速殺死入侵的致病微生物。并且，病原體越強，Hb產生的活性氧就越多[70,71]。此外，Hb在與細菌共培養(yǎng)時能夠被微生物蛋白酶直接激活產生更多的活性氧，從而能有效抑制金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌等細菌，具有殺滅致病細菌的作用[72]。另外，以Hb為基礎的供氧治療越來越多地與放療、化療、光動力治療和免疫治療等治療手段相結合，并取得了良好療效，為腫瘤治療提供了新的治療手段。例如，通過將Hb與光敏劑結合用于腫瘤的光動力療法，Hb可通過供氧增強光動力治療效果[73-76]?？傊S著Hb的抗菌免疫能力、類過氧化物酶活性以及靶向能力等多種功能的不斷發(fā)現(xiàn)，Hb不再單純作為載氧蛋白，其多重生物學功能越來越引起研究者的興趣。對Hb的深入研究，將有助于拓展對Hb更多功能性的開發(fā)與應用，也可為開發(fā)新抗菌和藥物載體提供新思路。

1.2 植物蛋白

1.2.1 玉米醇溶蛋白 玉米中的主要貯藏蛋白玉米醇溶蛋白（Zein）是一種富含多巴胺的蛋白質，含有疏水氨基酸、脯氨酸和谷氨酰胺，除易于電紡外，還具有良好的生物相容性和生物可降解性等特點。它由非極性疏水、極性中性氨基酸殘基組成，其兩親性使其能夠自組裝形成微觀結構，并通過范德華力相互作用和分子內氫鍵來獲得化學結構的穩(wěn)定性，可以應用在食品和藥品中。在臨床研究中，主要考察玉米醇溶蛋白作為食品在回腸中的消化率以及生物利用度 （表7）。玉米醇溶蛋白憑借較好的生物相容性、生物可降解性，已被廣泛應用于其他生物醫(yī)學領域中，例如組織工程、納米藥物遞送體系等[77]。通過靜電紡絲將玉米醇溶蛋白與檸檬酸、阿拉伯膠等物質制備成紡絲纖維膜，體外試驗表明，靜電紡絲纖維膜具有改善細胞附著，促進細胞增殖的作用，可作為傷口敷料[78,79]。此外，玉米醇溶蛋白纖維支架還具備優(yōu)異的促進骨修復的能力[80,81]。玉米醇溶蛋白是優(yōu)良的載體材料，可負載抗腫瘤藥物用于腫瘤治療。例如，在Zein表面修飾靶向分子用于腫瘤的靶向治療，提高療效[82,83]；Kaushik等[84]制備了玉米醇溶蛋白果膠交聯(lián)負載阿霉素且具有pH響應性的水凝膠，該水凝膠對宮頸癌細胞系表現(xiàn)出優(yōu)異的細胞毒性。

表7 已經完成人體臨床試驗的植物蛋白基產品Table 7 Plant protein-based products completed for human clinical trials

1.2.2 大豆蛋白 大豆蛋白是從大豆中分離出來的球形蛋白，具有長期儲存穩(wěn)定性。大豆蛋白中包含極性、非極性和帶電荷的氨基酸殘基，包括賴氨酸、酪氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸，可以與各種生物活性分子和藥物相互作用，最常見的相互作用是疏水相互作用、氫鍵和范德華力作用。大豆蛋白已被廣泛用于黏合劑、涂料、水凝膠和乳化劑的制備。由于它的生物相容性和與細胞外基質天然成分的生物化學相似性，因此在生物醫(yī)學領域應用前景廣闊。大豆蛋白含有幾種與健康相關的營養(yǎng)因子，如生物活性肽、大豆異黃酮等；此外，大豆蛋白質中各種必需氨基酸的構成比例適宜，因此具有較高的生物學價值。目前臨床上在治療肥胖和血脂等方面，大豆蛋白被證明可以改善血脂循環(huán)并減輕體重 （表7）。同時，在相關研究中，大豆蛋白基生物材料能夠誘導新組織形成，減少宿主組織的炎癥反應，促進傷口愈合[85,86]?；诖蠖沟鞍椎睦w維氈表現(xiàn)出良好的抗菌活性，并且具有良好的生物相容性，可以作為敷料應用于傷口修復[87,88]。在藥物遞送領域中，大豆蛋白基載體可以接枝靶向分子使其具有靶向功能，提高細胞內吞量[89]。此外，大豆蛋白可以制備成熱敏性水凝膠用于控制藥物釋放系統(tǒng)[90]，還能促進新骨形成，可以應用到骨組織工程中[91,92]。

1.2.3 小麥谷蛋白 小麥是世界上重要的作物之一，是蛋白質、硫胺素、核黃素和鉀的寶貴來源，此外也能提供膳食纖維、煙酸、鐵、鋅、維生素B6、鎂、磷、銅、硒和錳成分等。小麥谷蛋白（WG）由于二硫交聯(lián)分子中存在2%（質量分數(shù)）半胱氨酸，具有良好的水穩(wěn)定性，因此小麥谷蛋白通過不同的形式，如薄膜、纖維和水凝膠，被用于控釋應用和組織工程。目前，小麥谷蛋白納米粒已被用作維生素E、乙酸芳樟酯和氯化芐的轉運體，并且已經完成了考察小麥谷蛋白對患有腸易激綜合征人群影響的臨床試驗 （表7）。此外，小麥醇溶蛋白薄膜也應用于藥物釋放，例如制作軟膠囊；另一方面，小麥醇溶蛋白更多地被用于組織工程應用。與PLA膜相比，小麥谷蛋白薄膜具有良好的水穩(wěn)定性，能夠更好地支持成骨細胞的附著和增殖[11]。Xu等[93]用小麥谷蛋白電紡成3D纖維支架，模擬軟組織的天然細胞外基質，與市售3D非纖維支架相比，小麥谷蛋白基3D纖維支架表現(xiàn)出更好的支持間充質干細胞的增殖和成脂分化。

2 結論與展望

蛋白質是生命活動的特定執(zhí)行者，由于其結構的不同，決定了它們在生命活動中所扮演的角色不同，如血紅蛋白在體內運輸氧氣，起著氧載體的作用；人轉鐵蛋白維持正常的鐵代謝并且具有特異性靶向轉鐵蛋白受體等作用。目前合成的生物聚合物在醫(yī)學領域發(fā)揮著巨大作用，但是也面臨著諸多問題，如生物相容性、不可降解或者降解產物對機體有害以及潛在的免疫原性等問題。天然來源的聚合物蛋白質具有良好的生物相容性、生物可降解性以及獨特的物理化學特性，相比合成的聚合物具有較大的優(yōu)勢，因此在生物醫(yī)學領域如藥物遞送、組織工程、傷口修復以及生物電子學等方面得到了廣泛研究與利用。本文總結了常見動物來源的蛋白絲素蛋白、角蛋白、白蛋白、人轉鐵蛋白、血紅蛋白，以及植物來源的玉米醇溶蛋白、大豆蛋白、小麥谷蛋白在生物醫(yī)學領域的臨床應用以及潛在臨床應用。

近幾十年來蛋白質基材料在生物醫(yī)學領域發(fā)展迅速，經過較長時間的研究，盡管已經取得了很大的進步，但是還存在如下亟待解決的問題：（1）蛋白質材料易受到環(huán)境影響而喪失生物學活性，如果需要利用蛋白質特有的生物學功能，這一方面問題必須解決，但如果蛋白質僅作為載體就不用過多考慮；（2）蛋白質基納米材料需要精確控制尺寸和形貌，目前需要迫切解決的是無定形結構和尺寸分布廣的問題；（3）目前蛋白質基生物材料研究廣泛，但應用到臨床以及后續(xù)臨床轉化上市的產品卻很少，即使已經上市的蛋白質基藥物如白蛋白結合型紫杉醇Abraxane，在使用時仍然存在著白細胞下降、骨髓抑制等副作用，因此還需不斷改進藥物，將毒副作用降低到最小。蛋白質基生物材料在生物醫(yī)學領域的應用及發(fā)展需要多學科合作，充分發(fā)揮優(yōu)勢，為人類的健康發(fā)展提供幫助。