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科學家揭示17種角蛋白修復創面新機制
近期中國重慶大學團隊首次繪製出17種人發角蛋白的調控創面修復功能譜﹐通過系統地研究上皮細胞的遷移在細胞水平的作用機制﹐揭示出人發角蛋白在創面修復效果的規律(具有差異性)﹐從而能夠快速地確定創面修復性能最佳的角蛋白。值得關注的是研究人員通過對促表皮細胞增殖及血管新生的作用機制的深入研究﹐在動物模型體內驗證了細胞水平通路﹐證明通過RK34能夠應用於慢性糖尿病的創面修復﹐為角蛋白在創面修復的應用提供了新視角。該研究不僅為角蛋白的個性化或精準利用提供指導﹐還為人體組織修復(包括但不限於胃癌﹑神經修復等)提供了重要的理論基礎和實驗基礎。
角蛋白是一種纖維結構蛋白家族﹐其從類型可分為硬角蛋白和軟角蛋白。具體來說硬角蛋白包括人類和動物的指甲(爪)﹑頭髮﹑角﹑殼﹑(鳥)嘴等﹔軟角蛋白主要位於人體皮膚外層是組成中間絲的重要成分。人體中總體存在54種角蛋白﹐而頭髮中的角蛋白數量為17種。人發角蛋白在加速傷口癒合方面具有重要的前景。然而﹐由於高度的序列同源性﹐很難從它們的亞型中區分特徵和機制。
該課題組通過對人發17種角蛋白的重組表達﹐進一步得出角蛋白復合納米纖維膜。並且在動物水平對不同角蛋白複合膜的促創面修復效果進行了深入研究。通過系統地研究上皮細胞的遷移在細胞水平的作用機制﹐17種人發角蛋白在傷口癒合速率﹑表皮再生和血管生成方面具有獨特行為和優勢。
研究人員發現不同的人發角蛋白修復性能存在差異﹐並揭示出17種人發角蛋白在創面修復效果的規律﹐從而能夠快速地確定創面修復性能最佳的角蛋白。其中重組角蛋白(RK)33B﹑RK34﹑RK39和RK84在加速傷口閉合方面表現出最高的效率﹐RK34﹑RK37 和RK81表現出最強的血管生成性能。通過轉錄組學分析﹐研究人員對促表皮細胞增殖及血管新生的作用機制進行了深入研究﹐並在體內驗證了細胞水平通路。也就是說﹐介導角蛋白能夠利用PI3K/AKT1/mTOR通路﹐增進HaCaT細胞增殖遷移﹐並利用STAT3/HIF-1α/VEGF途徑介導人臍靜脈內皮細胞的增殖遷移。
研究人員認為﹐將17種人發角蛋白全部做出來是研究中最大的挑戰。「此前我們也做過其他蛋白﹐包括酶﹑膜蛋白等。最讓人激動的是﹐這17種角蛋白都表達﹐我們根據這些功能首次繪製出人發角蛋白調控創面修復功能譜。」經過課題組成員反覆討論﹐在對比柱狀圖﹑折線圖等形式後﹐他們認為「雷達圖」的表現效果最佳。另一方面該團隊對於角蛋白自身特有的活性也進行挖掘。在以往的研究中﹐國內外課題組已對於蛋白類生物材料進行相關研究﹐但是﹐角蛋白本身的結構特點﹐包括其生理功能尚未明晰。
研究人員通過對比後發現﹐RK33B在傷口閉合加速方面的效率最高﹐但血管生成性能較弱﹐而RK84具有較強的閉合加速和上皮化性能。此外﹐RK34具有較強的閉合加速﹑血管生成和再上皮化等特性。通過建立動物模型﹐他們還提供了人發角蛋白RK34﹑RK81和RK31對糖尿病大鼠具有足夠的傷口愈合作用的證據。
角蛋白在20世紀40至50年代曾經「火熱」過一段時間﹐科學家們對角蛋白的生物活性進行了相關探索。在2008年左右﹐美國維克森林大學的科學家從頭髮中提取角蛋白作為各方向的組織工程應用。研究人員指出﹐「我們團隊在角蛋白領域內發表的期刊論文比較多﹐但是這並不是最終目的。隨著研究的深入﹐我們對角蛋白像拼拼圖一樣不斷地完善認知﹐因此也對角蛋白產生了更大的敬畏之心。我認為﹐研究重組角蛋白並不是為了替代提取角蛋白﹐而是為了幫助更好地提取角蛋白。」。
在研究人員看來﹐他的研究可以分為三個階段﹐分別為角蛋白新劑型開發﹑重組角蛋白以及深入挖掘角蛋白特有的生物活性。得益於該課題組蛋白重組表達平台﹐研究團隊慢慢地從僅實現兩三種人發角蛋白表達逐步做到17種人發角蛋白全部表達。在從事科學研究的早期階段研究人員致力於提取角蛋白用作止血﹑組織修復等。一方面﹐把角蛋白做成不同的劑型(用電噴方式制備納米粒)。另一方面﹐從廢物回收利用的角度﹐比如從羽毛中提取角蛋白。
研究人員利用人發角蛋白的自組裝特性研究了不同類型﹑數目和時間對重組角蛋白自組裝行為的影響﹐挖掘了人發角蛋白的自組裝活性基元﹐發展出韌角蛋白水凝膠用於藥物遞送和創面修復。「雖然我們只做了四種角蛋白﹐但是四種角蛋白的自組裝系統也存在差異。這就代表角蛋白與其具體的應用場景有很大的關係。」研究人員說。
在重組角蛋白方面﹐研究人員聯合神外專家團隊通過解析17種人發角蛋白對小膠質細胞M2極化的調控影響﹐證明重組人發角蛋白RK33A是最具免疫調控效力的角蛋白亞型﹔對大鼠T9半橫斷脊髓損傷模型的研究﹐明確了RK33A納米纖維對大鼠運動功能改善﹑髓鞘丟失減少和組織新生的影響﹐有效提高脊柱神經損傷的修復效果。
與此同時﹐他對角蛋白獨有的特質也進行了深入挖掘。受中藥血余炭生物活性高的啟發﹐他明確了17種人發角蛋白的止血性能差異﹐通過解析不同角蛋白結構域對其止血性能的影響﹐發現人發角蛋白的止血性能與其α螺旋的含量有關。並且發現角蛋白止血機制主要是N端的Tyr﹑Phe和Gln殘基與纖維蛋白原作用促進纖維蛋白肽的釋放。
以單一的人發重組角蛋白為底物﹐模擬人發角蛋白的還原提取過程﹐解析角蛋白可溶化變化過程﹐明確還原反應前後角蛋白分子量﹑二級結構﹑化學結構﹑氨基酸含量和熱穩定的影響﹐並進一步制備可溶性重組角蛋白用於創面修復的治療性能提升。此外在研究過程中研究人員也發現了課題組的「短板」﹐即在複雜模型上制備方面具有挑戰。因此﹐研究團隊也更廣泛地與臨床醫生廣泛合作﹐包括神經外科﹑神經內科﹑骨科﹑肝膽科﹑皮膚科等﹐以結合更多動物模型﹑評價機制等。
未來﹐研究人員希望將角蛋白的作用機制更多地與各領域結合。與此同時﹐也計劃在機制明確的基礎上進行功能角蛋白的理性設計﹐通過不斷地挖掘角蛋白特有的生物特性﹐來滿足臨床方面的各種治療需求。
近年來﹐隨著AlphaFlold等新工具的誕生﹐有望通過化學機制修飾等方法促進更多新型蛋白設計。從更長遠的角度來看﹐整個角蛋白領域可研究的空間仍然很大。研究人員表示﹕「在有些領域17種角蛋白是一樣的﹐而有些領域則不同﹐因此其中可能蘊含某種特定規律﹐需要我們後續進一步挖掘。」。
有句話叫做「獨行快﹐眾行遠」﹐「針對角蛋白不同的應用方向﹐也歡迎更多領域的合作者與我們共同推動角蛋白領域的發展。」研究人員說。
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