生物角蛋白及其生物醫(yī)學應用的研究進展

管峰，胡馨予，姚逸安，石國慶，劉守仁，萬鵬程*

(1. 中國計量大學生命科學學院，浙江 杭州 310018；2. 新疆農(nóng)墾科學院畜牧獸醫(yī)研究所，新疆 石河子 832000)

隨著人類對生物醫(yī)學材料日益增長的需求和對獲取材料的安全性、可持續(xù)開發(fā)利用以及環(huán)境保護等多方面要求的提升，促使人們尋求“綠色”的方法來開發(fā)基于現(xiàn)有材料的可利用“天然副產(chǎn)品”。自然界為人類提供了多種獨特材料，蛋白質(zhì)就是生物材料中重要的候選和來源材料之一，其中角蛋白憑借其獨特的生物相容性和降解性在近年來得到廣泛開發(fā)應用。角蛋白是一種屬于纖維結構蛋白家族的硬蛋白，富含硫元素，分子量高達60 kDa，同時含有大量的二硫鍵和氫鍵，分子間還廣泛存在相互疏水作用力，良好且獨特的生物學特性使其在材料開發(fā)和應用中備受關注，其在飼料新來源開發(fā)[1]、農(nóng)業(yè)肥料等新型緩釋材料開發(fā)[2-3]、特異性水中有害物吸附劑[4]、水凝膠和多孔吸附性新材料[5-6]、新型醫(yī)藥材料與大健康[7-8]以及食品新材料[9]和新能源材料開發(fā)[10]等領域具有廣闊的應用前景。角蛋白是動物體內(nèi)最重要的生物大分子，來源廣泛，目前羊毛紡織業(yè)、屠宰場、家禽養(yǎng)殖場和人類頭發(fā)產(chǎn)生的角蛋白廢料估計每年可達4 000萬t[11]，這些材料主要來自畜牧業(yè)“廢棄材料”或加工后的低值副產(chǎn)品。在世界各地，大量的角質(zhì)廢物被傾倒、填埋或焚燒，造成環(huán)境污染，因此迫切需要探究高效環(huán)保的方法來處理加工這些“廢物”。

角蛋白具有多方面的生物學功能，材料來源豐富且價格便宜，但提取過程復雜，提純難度大，通過生物降解技術能夠使含有大量角蛋白的生物廢料更有效地轉化為有產(chǎn)業(yè)價值的角蛋白副產(chǎn)品，具有巨大的科學應用價值和商業(yè)前景。角蛋白在農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、醫(yī)藥材料和化妝品等多個領域及行業(yè)都展示出獨特的潛在廣闊前景。由羊毛和頭發(fā)制備的角蛋白存在可結合基序，由此制備的角蛋白材料具有止血和細胞結合的能力以及自組裝和形成聚合物的內(nèi)在能力[12]。角蛋白生物材料特殊的生物相容性以及促進細胞增殖的能力，使其可以進一步加工成海綿、薄膜和水凝膠等復合材料用于生物和臨床醫(yī)學多個領域，成為傷口愈合、藥物傳遞和組織工程的絕佳新型材料[12]。在過去的幾十年里，角蛋白作為功能材料在生物醫(yī)學領域得到了廣泛關注，以頭發(fā)或羊毛提取物為基礎的多孔海綿角蛋白已經(jīng)進行了多項體外研究和測試，表明生物角蛋白極具醫(yī)學應用價值和開發(fā)前景，這些研究結果為角蛋白生物材料的深入開發(fā)應用奠定了堅實的基礎。本文圍繞角蛋白來源、成分、結構和分類以及應用等方面，詳細介紹了角蛋白當前的提取技術，重點論述角蛋白在醫(yī)學材料領域的應用，為角蛋白生物材料的開發(fā)應用研究提供參考，也為提升畜牧產(chǎn)業(yè)動物養(yǎng)殖附加值提供了一個重要思路。

1 角蛋白構成與特點

1.1 結構與構成

角蛋白是組成毛發(fā)、指甲、羽毛、角、蹄、爪和羊毛的主要成分，是生物體最堅硬的生物材料之一，在動物保護、防御、捕食和盔甲生成及修復等多方面發(fā)揮著重要作用，但是不同機體中角蛋白的含量差異較大。角蛋白由多肽長鏈和交聯(lián)纖維組成，分子內(nèi)和分子間由大量二硫鍵(R-S-S-R)、氫鍵和離子鍵相連，這些化學鍵增加了角蛋白結構的穩(wěn)定性和機械強度，角蛋白含有的多肽序列和二級結構可與細胞表面受體相互作用，促進細胞黏附、分化和成熟[13-14]。角蛋白的一級結構是由19種氨基酸排列而成的多肽鏈，不同角蛋白組織中氨基酸的含量和排列順序存在巨大差異，也正是這些差異使不同水解方式得到的蛋白分子量不同，雖然羊毛、羽毛、人類頭發(fā)中角蛋白氨基酸存在差異，但是其中存在兩種穩(wěn)定的基本重復單元，即A：Cys-Cys-X-Pro-X和B：Cys-Cys-X-SerThr-SerThr，并衍生出十肽衍生物和多氨基酸重復序列[8，11-12]。

多肽鏈作為細胞骨架構成了角蛋白的大分子基本結構，長鏈卷曲成螺旋狀，生成緊致的棒狀α-螺旋構象，伸展成扭曲扁平時折疊形成β-折疊構象，這就是角蛋白的二級結構，α-螺旋和β-折疊通過非共價相互作用(主要是氫鍵)穩(wěn)定了50%的蛋白質(zhì)二級結構[11]。根據(jù)構象不同角蛋白可分為中間絲蛋白(intermediate filament proteins，IFPs)即α-角蛋白和角蛋白聯(lián)合蛋白(keratin associated proteins，KAPs)即β-角蛋白兩大類[12]。構成角蛋白的氨基酸緊緊纏繞成一個右旋螺旋即α-螺旋，α-螺旋每輪有3.6個殘基呈縱向排列，由于大量的半胱氨酸以及α-螺旋之間大量的二硫鍵，角蛋白結構穩(wěn)定且具有較好的伸展性能[14]。β-折疊由往返折疊的多肽鏈組成，形成扭曲和褶皺的片層結構，通過氫鍵把主羰基氧原子和氨基氫原子穩(wěn)定連接，呈平行堆積，片層之間形成Gly-Gly或Ser-Ser連接與共價鍵共同作用，當α-螺旋受熱后致氫鍵斷裂時肽鏈變?yōu)棣?折疊，此時毛發(fā)可以被拉伸一倍[14]。α-螺旋經(jīng)扭曲纏繞形成超螺旋，超螺旋進一步形成二聚體，這種α-螺旋二聚體是微纖維結構的亞單元，成百上千的二聚體在相互作用下構成微纖維，數(shù)十根微纖維相互作用形成原纖維，形成角蛋白的三級結構，化學鍵和多種作用力的組合決定了角蛋白的結構及理化特征[14]。

角蛋白最顯著特點是富含半胱氨酸殘基(占總氨基酸殘基的7%～20%)，且大部分存在于蛋白質(zhì)末端區(qū)域。大量存在的二硫鍵使角蛋白具有良好的機械強度和化學抗性，豐富的硫含量對角蛋白的天然結構及化學合成角蛋白的形態(tài)和功能都具有重要影響和作用[12]。角蛋白中除半胱氨酸外，還含有甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和纈氨酸，以及少量的蛋氨酸、賴氨酸和色氨酸[8，11]。角蛋白在抗機械剪切能力、生物合成和纖維基質(zhì)形成三方面的功能不受生物體形態(tài)、大小或角蛋白類別的影響，始終保持高度一致。

1.2 角蛋白分類

角蛋白的分類方法很多，當前對所知角蛋白的分類主要依據(jù)其組分特征、含硫量、纖維化程度以及不同等電點(pI)等進行區(qū)分，角蛋白的分類是研究其理化特征、來源、功能以及應用方向的重要參考和依據(jù)。

根據(jù)結構和含硫量可將角蛋白分為α-角蛋白和β-角蛋白，α-角蛋白即IFPs，主要存在于纖維皮層；β-角蛋白即KAPs，不含半胱氨酸，主要由絲氨酸、丙氨酸和甘氨酸構成，提取難度大，不能形成穩(wěn)定的重建結構[15]。α-角蛋白的分子單位是1個盤繞的異二聚體，α-角蛋白和β-角蛋白由非共價相互作用形成穩(wěn)定結構[12]。α-角蛋白的分子量為40～60 kDa，β-角蛋白的分子量在10～22 kDa之間，α-角蛋白絲直徑為7～10 nm，β-角蛋白絲直徑為3～4 nm，相對較細的β-角蛋白在物理特性上比α-角蛋白更堅硬[16]。α-角蛋白廣泛存在于哺乳動物中，是羊毛、毛發(fā)、爪、蹄和角的主要成分。β-角蛋白主要存在于鳥類和爬行類的硬組織中，如鳥類的羽毛、喙、爪和蠶絲絲心蛋白，以及爬行類的鱗片和爪，具有保護角蛋白纖維免受物理和化學損傷的作用[16]。

角蛋白根據(jù)含硫量和是否纖維化可分為硬角蛋白和軟角蛋白[12]。硬角蛋白的含硫量較高(≥5%)且發(fā)生纖維化，主要構成堅韌的表皮，中間絲嵌在交聯(lián)基質(zhì)中并形成有序排列；硬角蛋白存在于與表皮相連的結構中作為結構支架，是構成毛發(fā)、羽毛、角和鱗片等組織的重要結構蛋白，是多種生物材料的提取來源，已廣泛開展體內(nèi)外降解和相容性等相關研究[11]。軟角蛋白含硫量少(≤1%)，主要位于皮膚角質(zhì)層，由松散的細胞質(zhì)微絲束構成，具有穩(wěn)定上皮細胞、為表皮提供彈性的作用；細胞內(nèi)的軟角蛋白是細胞膜、脊髓和視網(wǎng)膜神經(jīng)等組織結構的重要組分[17-19]。

角蛋白也可以根據(jù)等電點進一步細分為酸性和堿性兩大類，等電點是蛋白質(zhì)中性時的pH值，角蛋白經(jīng)蛋白翻譯修飾后的pI值會發(fā)生改變，離子鍵的存在也與pH值有關，pI=4.9時，蛋白質(zhì)以兩性離子形式存在[12]。角蛋白一般是中性的，離子鍵在極端酸性或堿性條件下被削弱，銨離子和羧基陰離子之間存在離子鍵，這些化學鍵在高pH值時被氨基脫質(zhì)子，在低pH值時被羧基質(zhì)子化[12]。例如，頭發(fā)基質(zhì)蛋白的分子量為15～28 kDa，等電點5.0～7.0的酸性頭發(fā)基質(zhì)蛋白有14種；分子量18.5～28 kDa，等電點7.8～8.8的堿性基質(zhì)蛋白有12種[15]。這些分類和基本理化特征是角蛋白研究的重要基礎，基于不同分類方法的角蛋白種類隨著蛋白鑒定和分離新技術以及新材料來源的開發(fā)也在持續(xù)增加。

1.3 角蛋白生物學特點

角蛋白來源的生物材料憑借其豐富的二硫鍵和氫鍵，形成了獨特的生物相容性、生物降解以及機械強度等特征，在眾多天然與合成的高分子化合物中獨樹一幟，極大改變了生物材料的來源途徑和提取工藝。

生物相容性是指材料必須無毒、無刺激性、無致癌、無致突變和不使宿主發(fā)生局部炎癥的基本特征，是生物醫(yī)學材料必須具有的特性。在生物醫(yī)學研究和臨床應用之前，所有生物材料都必須進行細胞和組織相容性測試，細胞培養(yǎng)和組織培養(yǎng)是最常用的體外相容性評估方法。通過12種不同細胞系在角蛋白膜和聚苯乙烯上的生長行為比較研究，證明角蛋白材料具有良好的生物相容性[20]。進一步對不同來源的角蛋白提取物植入動物模型測試，表明角蛋白材料在活體動物水平具有良好的生物相容性[21]。另外，以頭發(fā)中提取的角質(zhì)糖(keratose，KOS)制成的透析膜，在生物體內(nèi)與角膜的生物相容性較好，炎癥反應輕，為角蛋白膜在角膜功能方面的開發(fā)利用奠定了基礎[22]。目前已在小鼠、大鼠、兔子和非人靈長類動物體內(nèi)進行相容性試驗，結果均表明體內(nèi)移植角蛋白不會引起明顯的免疫反應，也不會對皮膚、肌肉、心臟和神經(jīng)等組織和器官造成較大的負面影響[23]，表明生物角蛋白具有多組織相容性的特點。

生物降解性是角蛋白具有的天然特性之一，在臨床應用中作為支架材料的理想降解速度應與目標組織的生長速度相匹配，角蛋白人工合成材料剛好滿足了這一特殊要求[8]。角蛋白從毛發(fā)纖維中提取后，通過化學處理破壞二硫鍵，使IFPs蛋白與KAPs蛋白通過氧化或還原轉化形成非交聯(lián)模式，氧化提取后的角蛋白具有吸濕性、水溶性和交聯(lián)性，在極端pH值下易水解，這些特性使得角蛋白生物材料在體內(nèi)降解相對較快，幾天至幾周時間即可完成[8]。但是，經(jīng)還原處理后的角蛋白極性降低，不易溶于水，在極端pH值下更穩(wěn)定，這種角蛋白材料可以在體內(nèi)存在數(shù)周至數(shù)月[8，14，24-25]。研究證明蛋白酶K可以降解角蛋白，但人體缺少專門降解角蛋白的角朊酶(keratinase)，因此角蛋白在人體內(nèi)的穩(wěn)定性高于那些易被膠原酶降解的蛋白質(zhì)[26]。不同處理后的角蛋白生物降解性有較大差異，研究并控制生物材料降解速率是功能性組織設計的重要基礎，也是臨床應用的前提[8]。

角蛋白結構堅固、穩(wěn)定性高，不溶于水和許多弱酸、堿等溶劑，其抗酶降解的穩(wěn)定性和生物相容性已在生物醫(yī)學應用和再生醫(yī)學中得到了廣泛關注[11，15]。角蛋白中豐富的半胱氨酸使其具有機械性、化學抗性和耐熱性的特點，使得其在可制備生物材料領域具有廣泛的應用前景。雖然角蛋白具有顯著的生物學優(yōu)良特性，但另一方面其作為生物材料也存在力學性能差、體內(nèi)降解速度較快、分子量較低等不足，限制了角蛋白基生物材料的直接開發(fā)利用。交聯(lián)處理是改善角蛋白物理力學性能的有效方法，同時根據(jù)交聯(lián)程度保持角蛋白的生物活性[8，11]，在很大程度上克服角蛋白自身特性的不足。改良后的角蛋白具有獨特的生物相容性、生物降解性和生物活性，使其成為具有廣泛應用前景的生物醫(yī)學材料，在傷口愈合、組織工程修復和藥物傳遞等臨床中具有巨大的開發(fā)潛力和市場前景。

2 角蛋白來源及提取技術

2.1 角蛋白來源

2.1.1 人類毛發(fā)角蛋白

人類毛發(fā)主要是頭發(fā)，來源廣泛并且數(shù)量較多、易于搜集，頭發(fā)發(fā)絲纖維由外向內(nèi)依次是角質(zhì)層、皮質(zhì)層和髓質(zhì)層，角質(zhì)層由矩形重疊扁平細胞組成，占纖維總重量的10%，含有5～12層的β-角蛋白[26]。髓質(zhì)層位于毛發(fā)纖維的中心，由角質(zhì)化細胞松散排列組成柔軟松散的軸向流，是人發(fā)纖維的多孔部分，與全纖維相比髓質(zhì)中半胱氨酸和含硫量較低，酸性和堿性氨基酸含量相對較高。皮質(zhì)層是頭發(fā)的主要組成部分，由低硫α-角蛋白和高硫β-角蛋白組成，分別占頭發(fā)纖維重量的50%～60%和20%～30%[27]。從毛發(fā)中提取的角蛋白屬于硬角蛋白，具有較強的成纖維能力[28]。目前證明人類毛發(fā)蛋白結構由17個KIFs基因和85個KAPs編碼基因構成，分子量41.5～59 kDa，等電點5.1～6.8[27，29]。人類毛發(fā)尤其是頭發(fā)提取角蛋白是個性化醫(yī)學生物相容性材料的重要來源，其含有具有細胞黏附功能的亮氨酸-天冬氨酸-纈氨酸肽鏈，具有增加細胞-細胞和細胞-基質(zhì)連接的能力，與天然組織結構相似，被認為是作為合成細胞外基質(zhì)用于體外組織工程支架的良好候選材料。

2.1.2 羊毛角蛋白

羊毛主要成分是角蛋白[30]，由角質(zhì)層和皮質(zhì)層組成，多數(shù)粗羊毛類似頭發(fā)結構含有髓質(zhì)層，但以細毛著稱的美利奴羊毛纖維結構中不含髓質(zhì)層。角質(zhì)層的細胞由梭形皮層細胞形成，扁平重疊的角質(zhì)層細胞包圍皮質(zhì)層，皮質(zhì)層是羊毛纖維的主體部分，占潔凈羊毛總重量的90%～98%，皮質(zhì)層主要由IFPs和KAPs組成，兩種蛋白交叉連接發(fā)生角質(zhì)化最終形成羊毛纖維[29，31]。羊毛的結構和人類頭發(fā)有許多相似之處，但是羊毛的直徑(約為20 μm)明顯小于頭發(fā)(約為80 μm)[32]。羊毛角蛋白分子量約15～58 kDa，等電點為4.7～5.4[8，31]。羊毛是角蛋白材料的重要來源，也被認為是中間絲蛋白IFPs的主要來源，在紡織業(yè)、化妝品和生物醫(yī)學領域占有重要地位[29]。如何高效利用羊毛進行角蛋白提取并開發(fā)成新型生物材料是目前羊毛應用研究的一個新方向。

2.1.3 羽毛角蛋白

禽類羽毛由羽軸、羽片和羽枝三部分組成，羽毛成分中90%以上為角蛋白，大量羽毛作為禽類養(yǎng)殖業(yè)的副產(chǎn)品通過填埋或焚燒等方式處理，全世界羽毛年產(chǎn)量超6 500萬t[14]，因此是角蛋白含量豐富且成本最低的材料來源。羽毛中主要有分子量10～30 kDa的β-角蛋白和部分α-角蛋白，β-角蛋白作為主要成分起到保護作用，少量的α-角蛋白則有利于羽毛的生長發(fā)育[13，16]。羽毛中約7%的半胱氨酸殘基含量決定了角蛋白組織的柔韌度，羽毛相較于半胱氨酸11%～17%羊毛更為柔軟[33]?；诎腚装彼岬暮亢徒Y構特征，通常可將其中的二硫鍵還原為巰基(SH)，處理后的羽毛角蛋白提取物可用于多項生物學研究和生產(chǎn)原料[8]。

2.2 角蛋白分離提取技術

目前從毛發(fā)等生物材料中提取角蛋白的方法有多種，根據(jù)毛發(fā)材料性質(zhì)和提取物特點采用不同方法。最初使用化學試劑氧化或還原得到角蛋白，但該方法所需試劑對環(huán)境造成較大污染且提取效率較低。物理方法進行高溫高壓破壞二硫鍵，過程無污染、成本低，提取得到的角蛋白具有自我組裝、聚合成纖維并形成多孔膜、生成凝膠和支架的內(nèi)在能力。生物技術法則利用微生物分泌的特定酶降解角蛋白，該方法在一些新興工業(yè)和生物技術領域探究中得到應用，是將來角蛋白提取產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)中最具開發(fā)潛力的新型技術[11]。隨著蛋白分離提取技術的發(fā)展，研究者提出了利用快速攪拌的去溶劑法、鹽析法、尿素-氯化膽堿共溶體系等提取羊毛角蛋白方法，相比之下尿素-氯化膽堿共溶體系提取得到的角蛋白結構更為完整[34]。角蛋白作為一種生物材料，運用不同的處理方法得到的最終產(chǎn)物及其特性也有所不同，這些特性直接影響生物材料(見表1)最終的物理、化學和生物特征，這些屬性決定了角蛋白材料在醫(yī)學中的用途。

3 角蛋白的應用

角蛋白作為天然生物材料被廣泛運用于生物醫(yī)學研究和臨床治療中，尤其在再生醫(yī)學中發(fā)揮著越來越重要的作用。

早在16世紀我國著名醫(yī)藥學家李時珍就提出一種名叫“血余炭”的藥物可以加速傷口的愈合，實則該物質(zhì)是通過熱裂解的頭發(fā)提取物。在之后的數(shù)百年里人們對角蛋白的功能、組成和獲取來源等很多方面開展了大量研究并獲得了諸多資料，但是對于角蛋白的應用研究報道較少。在21世紀初，研究人員開始以羊毛角蛋白為材料進行細胞培養(yǎng)并用于組織工程，研究成果為角蛋白生物材料在神經(jīng)修復、止血和傷口愈合等多個領域的應用提供了理論和技術基礎。隨著技術改進，現(xiàn)在可以從頭發(fā)、羊毛和羽毛中提取并開發(fā)出不同形式的角蛋白生物材料，如薄膜、水凝膠、海綿、纖維和3D支架等，但人工提取或制造的角蛋白在機械性能方面具有一定的局限性，需要添加交聯(lián)劑和增塑劑來改善角蛋白的部分機械特性以滿足臨床應用要求，在應用中與細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)如聚乙二醇等人工合成材料聯(lián)合使用才能更好地滿足臨床和應用需求。另外，頭發(fā)和指甲角蛋白及其薄膜可用于抗過敏材料和制備支架用于組織工程等[28]。多年來研究表明，角蛋白材料在臨床應用如組織和器官再生、替換或修復中有著巨大的潛在市場前景，如骨、軟骨、皮膚和神經(jīng)修復以及替換等所需材料的開發(fā)就是最普遍應用的領域(圖1)。

3.1 角蛋白在骨組織工程的應用

骨質(zhì)疏松和骨關節(jié)炎癥是臨床常見病之一，手術再生和修復是臨床治療的重要手段[43]。使用角蛋白生物材料取代植入體內(nèi)的傳統(tǒng)醫(yī)學金屬合成物是近年來再生醫(yī)學的重要突破，成為醫(yī)學研究和臨床骨組織修復材料應用領域之一[24]。

用于骨組織修復的材料要求具有良好的強度和彈性等機械性能，但提取的角蛋白材料力學性能不佳，需要與天然聚合物共混生成產(chǎn)物后使之具備極佳的物理力學等優(yōu)良特性，同時改善降解性，成為醫(yī)學骨組織修復中較佳的生物材料[44]。在角蛋白提取物改良方面，從起初添加羥基磷灰石(HAP)制成海綿支架到后來使用聚乳酸-羥基乙酸(poly lactic-co-glycolic acid，PLGA)制成復合支架，這些復合物改善了材料表面粗糙程度和分子顆粒大小以及熱穩(wěn)定性，使其具有更好的拉伸強度和斷裂伸長率，還能顯著促進成骨細胞附著能力并提升增殖速度，使其完全滿足組織修復需要[45]?；诮堑鞍讖秃喜牧暇哂凶晕揖酆虾徒M裝能力，這些材料做成的生物活性支架能夠修復多種組織[18]。例如，磷酸鈣涂層角蛋白/聚已酸內(nèi)酯(polycaprolactone，PCL)復合材料支架提高了Ca2+吸附能力，還增加了材料機械強度[43]，濃度20%的羊毛角蛋白中間絲蛋白水凝膠能夠促進牙髓質(zhì)愈合且效果良好[46]，這些材料都已在臨床中得到廣泛應用。

作為骨組織工程的支架材料，必須具備的多孔性和互聯(lián)性也是角蛋白生物材料的關鍵特征，這樣的支架才能允許營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣擴散到細胞，消除細胞代謝產(chǎn)生的廢物和周圍組織的入侵[8]。改良的角蛋白纖維海綿支架具有高達約93%的連接孔隙度，同時模仿了細胞外基質(zhì)的細胞識別點，該支架表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，具有良好的細胞粘附和增殖能力，還能夠通過離子互相作用與骨形態(tài)蛋白BMP-2結合，作為載體用于缺損股骨的再生[47]。目前，角蛋白材料來源的組織工程研究在于建立合適的支架系統(tǒng)平臺，更好的把生物材料或細胞及生長因子結合，提高組織修復能力，并改造成為個性化的支架材料，這是當前骨組織工程研究和開發(fā)到轉化應用的重要課題。

3.2 角蛋白在神經(jīng)組織工程的應用

醫(yī)學中外科切除或物理損傷所致神經(jīng)損傷的修復是當前醫(yī)療中面臨的一個重要難題，神經(jīng)損傷會導致患者完全喪失感覺和自主神經(jīng)功能，外傷性周圍神經(jīng)損傷的首選治療方法是將2根神經(jīng)殘端直接縫合修復，但是縫合后的愈合和損傷的修復需要更多的輔助治療[48]。神經(jīng)組織的修復和再生需要為細胞增殖提供支撐材料，傳統(tǒng)的金屬和生物材料填充物通常為細胞再生只能提供物理支持，現(xiàn)如今被多種生物可降解材料和人工神經(jīng)導管材料逐步取代并廣泛應用。角蛋白由于使用方便、具有天然生物活性和生物相容性以及價格優(yōu)勢，成為神經(jīng)組織工程材料的重要替代物。目前研究表明，濃度15%的角蛋白材料具有幫助神經(jīng)組織修復的良好效果[49]，是神經(jīng)組織修復和再生醫(yī)學的重要開發(fā)對象。

神經(jīng)組織修復和再生的支撐材料比較特殊，角蛋白水凝膠作為填充物可以加速神經(jīng)再生和恢復，但這種角蛋白的制備需要通過氧化法，且需要具有一定溶解度的α-角蛋白和β-角蛋白材料，改良材料不但保留大量水分、黏彈性強，還具有方便以微創(chuàng)方式植入并彌補不規(guī)則形狀缺陷的優(yōu)勢和潛力，提高神經(jīng)再生修復速度[8]。當前，神經(jīng)組織工程中最常用的角蛋白材料是氧化法所得的角質(zhì)糖KOS。體外研究表明，由頭發(fā)制備的角質(zhì)糖KOS凝膠有助于Swann細胞周圍神經(jīng)再生，促進細胞的附著和增殖，并上調(diào)重要基因的表達從而改善神經(jīng)再生，且該KOS凝膠成功用于改善4 mm脛骨神經(jīng)損傷小鼠模型的功能神經(jīng)恢復[26]。機制研究表明，KOS可與周圍神經(jīng)系統(tǒng)(peripheral nervous system，PNS)相互作用，通過激活Swann細胞促進修復功能[50]。KOS凝膠作為基底材料的再生神經(jīng)在面積和軸突密度甚至優(yōu)于自體移植物，且神經(jīng)傳導速度更快[51]。我國科研人員探究使用鹽酸處理的天然角蛋白材料與神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF)相交聯(lián)，該材料可以支持神經(jīng)干細胞的黏附、生存、遷移和分化，有效促進神經(jīng)干細胞向神經(jīng)細胞分化，顯著增加神經(jīng)元分化比率，是一種神經(jīng)組織修復較為理想的角蛋白材料[52]。在用于神經(jīng)修復的角蛋白材料中，頭發(fā)來源的角蛋白具有與自體移植相當或更好的效果，改良優(yōu)化的角蛋白水凝膠是神經(jīng)再生、修復和個性化醫(yī)療中最具應用前景的候選材料[51]。

3.3 角蛋白在傷口愈合的應用

人體嚴重病變或受損較重的表皮難以自我修復，要依靠藥物、物理治療甚至手術移植提高康復水平。角蛋白敷料在傷口愈合過程中具有吸收滲出物并形成凝膠的能力和良好的吸水性并能促進愈合過程。角蛋白膜材料的開發(fā)為組織損傷修復和組織替代品的臨床應用提供了新材料和治療方案，其創(chuàng)面修復和止血功能以及優(yōu)良的特性可以有效促進細胞黏附，這種新材料已開發(fā)出多個臨床產(chǎn)品[12，53]。

角蛋白制作的水凝膠、薄膜和纖維是最常見的臨床用于傷口敷料的材料形式。乙二醇和戊二醛混合物中加入10%角蛋白和明膠制備的薄膜具有良好的力學性能和吸水性能，可用于傷口包扎[11]。多孔材料的角蛋白殼聚糖/虎杖甙復合生物支架則具有孔隙多、韌性強和塑性好等優(yōu)點，是當前傷口修復效果最佳的材料之一[54]。聚乳酸/聚(羥基丁酸-羥基戊酸共聚酯)-角蛋白復合纖維、聚乙烯吡咯烷酮-羊毛角蛋白復合納米纖維可以維持人類原代皮膚成纖維細胞的附著和生長，作為皮膚支架能很好地支持皮膚組織再生過程和傷口愈合[55]。角蛋白復合材料比單純的納米纖維材料更有利于成纖維細胞的粘附和增殖，能加速創(chuàng)面恢復。KOS水凝膠在傷口修復中表現(xiàn)優(yōu)異，在創(chuàng)傷早期通過增強成纖維細胞的浸潤、膠原蛋白的生成和血管化，進而減少炎癥，在后期清除成纖維細胞從而促進創(chuàng)面愈合，且愈合速度更快[56]。動物試驗證明，KOS水凝膠能夠維持化學燒傷模型小鼠和熱燒傷模型豬傷口細胞的活力并促進增殖，縮短傷口愈合時間，優(yōu)化傷口結痂過程[23]。人工改性KOS水凝膠可以促進成纖維細胞增殖和肉芽組織生成，更適于急性傷口愈合[56]。不同濃度角蛋白水凝膠對傷口愈合效果不同，9%的水凝膠適用燒傷皮膚的再生，15%的水凝膠適于神經(jīng)組織修復和再生[11]，而5%水凝膠有助于體內(nèi)傷口愈合[57]。另外，角蛋白具有的化學鍵和結合位點可以提高藥物因子的藥效，頭發(fā)角蛋白偶聯(lián)胰島素具有更強止血和傷口愈合能力[58]，而復合角蛋白水凝膠治療隱性營養(yǎng)不良性大皰性表皮松解效果更好[59]。如今，已有部分角蛋白產(chǎn)品完成臨床試驗，如治療靜脈曲張性潰瘍(NCT02896725)和乳腺癌皮膚局部角質(zhì)標識(NCT03374995)[59]。角蛋白材料在組織愈合和創(chuàng)面?zhèn)谛迯偷膽檬桥R床醫(yī)學組織醫(yī)學工程的重要開發(fā)領域，對于提高生命健康具有重要意義。

3.4 角蛋白在藥物轉運中的應用

藥物轉運是指將治療藥物輸送至患者體內(nèi)直至藥物靶點或病灶的過程，角蛋白因自身安全和具有提高藥效等方面的優(yōu)勢成為藥物傳遞系統(tǒng)(drug delivery systems，DDSs)的重要候選載體之一。生物角蛋白材料可用于多種藥物輸送，包括小分子藥物和大分子生物制劑。此外，角蛋白富含活性化學基團(羥基、羧基和酰胺)，這些基團能夠與生物活性分子相互作用，從而為后處理提供了技術突破口；如蛋白質(zhì)和肽類藥物中引入巰基可顯著改善聚合物載體的黏附性，進而提高藥物利用效率，保護藥物活性[60]。角蛋白轉運載體與現(xiàn)有臨床使用的合成硫代聚合物相比，角蛋白帶有硫醇基團或二硫鍵，提供了更有內(nèi)聚性的聚合物基質(zhì)，從而能夠更精準可控地釋放藥物，將藥物精準輸送到作用靶點[60-61]。藥物分子與生物角蛋白材料的交聯(lián)在生物活性物質(zhì)釋放中起到重要作用，不同性狀的角蛋白如顆粒狀、膜和水凝膠等，均可以作為載體來固定或封裝藥物。生物分子、蛋白質(zhì)和細胞等與載體之間的作用是不同的，采用適配類型的角蛋白可以防止轉運物質(zhì)尤其是藥物發(fā)生不可控或未知的變化。角蛋白膜和水凝膠與轉谷氨酰胺酶TGase交聯(lián)后靶向藥物的釋放研究表明，前者的釋放量較低，水凝膠更適于該類藥物的轉運[14]。但是，KOS降解較快，用作載體則會影響生長因子的釋放速率[62]，而還原角蛋白水凝膠的降解則影響環(huán)丙沙星的轉運和釋放過程[63]，但具體調(diào)控機制和可用于臨床的角蛋白材料尚需針對特定藥物進一步研究。值得肯定的是，藥物和KOS水凝膠存在直接的互相作用，二硫化物的交聯(lián)程度可以改變藥物或生長因子的釋放速率[25]。交聯(lián)二硫化物水凝膠是一種藥物轉運的新型材料，角蛋白/烯丙基硫醚水凝膠則是一種基質(zhì)封裝和細胞傳遞材料[64]，羧甲基/羥基磷灰石-角蛋白復合材料適于骨愈合和藥物釋放[65]，利用角蛋白制備DOX負載的角蛋白-透明質(zhì)酸微凝膠，適用于腫瘤治療相關藥物釋放[66]。羽毛角蛋白納米顆粒具有疏水結構并攜帶正負電荷，可以裝載多種類型藥物并能定向轉運至靶標器官[61]。角蛋白納米顆粒與水凝膠和生物膜相比，納米顆粒具有更大的接觸面積，更易于保存和使用，用于轉運羅丹明B和姜黃素的試驗證明，對此類藥物表現(xiàn)出pH值和氧化還原雙重響應性[67]。角蛋白生物材料用于藥物轉運的臨床應用以及作用機制仍在不斷探索研究之中。

4 結語與展望

隨著從多種材料中角蛋白提取和加工技術的不斷改進，其作為一種來自動物體的天然蛋白材料在醫(yī)藥和臨床醫(yī)學領域的應用日益廣泛，展現(xiàn)出潛在應用前景和市場價值。角蛋白材料是構成毛發(fā)、指甲、角、蹄和羽毛的主要成分，來源廣泛，富含半胱氨酸結構和大量存在的二硫鍵使其具有較高的機械強度，也為加工后的產(chǎn)品提供了諸多可利用的化學基團。角蛋白具有天然不溶性和良好的機械性能，使其成為一種可再生、生物相容的天然材料，能通過不同處理獲得多種產(chǎn)物。當前技術提取的角蛋白材料均具有良好的機械性和生物相容性，以及良好的耐久性和易于生物降解等優(yōu)點，且具備作為細胞增殖載體的優(yōu)良特征[12]。生物角蛋白材料可以加工后轉化為復雜的三維支架、纖維、海綿、薄膜和水凝膠，用于生物醫(yī)學多個領域的研究和臨床[8，12]，但是角蛋白的提取和加工過程優(yōu)化仍是當前生物技術研究的重要課題。

角蛋白作為新型生物材料在生物醫(yī)學領域中的研究和應用引起了廣泛關注，是集材料學、生物物理學、生理學和臨床醫(yī)學等多個學科的一門應用科學，目前主要集中于骨和神經(jīng)組織工程以及組織再生和藥物釋放等方面。隨著角蛋白作為組織工程材料在促進細胞生長、組織再生等方面分子機制的研究，其在多種疾病的臨床治療與藥物轉運中也展現(xiàn)出潛在的應用價值。角蛋白生物材料的深度開發(fā)和功能探究為新型生物醫(yī)學材料的開發(fā)利用提供了方向和思路，在生命健康和生態(tài)環(huán)保領域的應用將日益廣泛。