科学家解析丝素蛋白、为医用蚕丝材料研发注入新思路

中国是最早使用蚕丝的国家，丝绸之路享誉全球。随着科技的进步以及多学科的交叉融合，蚕丝的应用早已不再局限于传统的纺织领域，其在医学领域亦展现出巨大的潜力，比如蚕丝手术缝线早在几个世纪之前已在临床上得到广泛使用。

近年来，蚕丝来源的生物材料因其具有良好的生物相容性、优越力学性能、可调控的降解性、以及无毒副降解产物等优势，在再生医学领域展现出优越的潜力和广阔的临床转化潜能，并已被用于软骨、皮肤、角膜、骨、肌腱/韧带等损伤组织修复的研究。

由蚕丝来源的再生丝素蛋白，可以进行再加工、修饰、调控，从而制备成各型支架材料，进而用于组织工程、药物输送、3D 打印、细胞涂层、微流体和生物传感器等众多领域。

尽管医用蚕丝材料研究在过去二十年间已经取得了长足进展，但是前期工作主要聚焦于蚕丝材料的加工、修饰和理化调控。目前，全球基于蚕丝材料的再生修复产品仅有 8 项实现临床转化。

东南大学教授张薇表示：“其中 3 项是由我的博士生导师浙江大学欧阳宏伟教授引领开发的，我在博士期间有幸参与其转化研究工作。”

图 | 张薇（来源：张薇）

相比于其他天然生物材料比如胶原、海藻酸钠，基于蚕丝的临床转化产品仍较少。张薇认为上述困境的核心原因在于，蚕丝材料本身的生物活性尚未被明确，导致其用于组织修复再生的安全性和有效性难以稳定保证，这阻碍了蚕丝材料的进一步临床转化。

蚕丝材料本质上是由氨基酸等化学分子组成，理论上能够提供固有的生化信号来影响细胞行为和功能，进而调控组织修复再生。

从化学组成上看，蚕丝是一种天然的蛋白质聚合物，主要由 70–75% 的丝素蛋白（SF，Silk Fibroin）和 25–30% 的丝胶蛋白（SS，Silk Sericin）组成。

近年来，多组学技术的发展为全面解析丝素蛋白和丝胶蛋白的内在生物活性提供了机会。基于此，已经在东南大学成立独立课题组的张薇，打算和团队开展一项研究。

具体来说，他们以再生医学领域应用较为广泛的间充质干细胞（MSCs，mesenchymal stem cells）为例，结合转录组学、分泌组学、蛋白组学、空间代谢组等技术，全面解析了丝素蛋白、丝胶蛋白与间充质干细胞的相互作用，从而明确了不同蚕丝蛋白的生物学特性、介导的细胞响应及其深层分子调控机制，为医用蚕丝材料在组织工程和干细胞治疗领域的应用提供更加全面的见解。

日前，相关论文以《丝素蛋白和丝胶蛋白差异性调控干细胞旁分泌和再生功能的多组学分析研究》（Silk Fibroin and Sericin Differentially Potentiate the Paracrine and Regenerative Functions of Stem Cells Through Multiomics Analysis）为题发表在 Advanced Materials 上 [1]，ZhangYanan 是第一作者，张薇担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

实际上，针对医用蚕丝材料此前张薇已经开展了大量应用基础研究和临床转化研究工作，通过对蚕丝材料进行化学和物理功能化改进，已将其用于软骨、皮肤、角膜、肌腱/韧带等常见难愈性损伤组织的再生修复，并实现了初步的临床应用示范。

此前作为项目骨干之一，她曾参与中国首个获批上市的蚕丝三类医疗器械创新产品的研发与注册申报工作（国械注准 20203140593，丝素蛋白膜状敷料，浙江星月生物）和两项欧盟 CE 注册申报工作（No.130861 QS/NB，No.130878 QS/NB，浙江星月生物）。

而本次课题则通过开展多组学测序，全面解析了蚕丝固有生化信号对于干细胞功能调节和组织再生的效应以及机制，获得了关于蚕丝生物效应基础知识，有望从源头上进一步推动医用蚕丝材料的临床应用。

预计通过深入探索蚕丝的作用机理，将获得更加安全可靠、且成本更低的蚕丝产品。

同时，有望从根本上提升蚕丝修复效能，实现复杂难愈性损伤的高效稳定修复，推动植入性三类高端蚕丝产品的产业转化。

而研究过程中，经历了如下几个重要节点：

2018 年底，张薇在瑞典完成 3 年博士后研究之后入职东南大学。2020 年 6 月设计此次课题时，团队里只有两位本科生，第一位研究生则于 3 个月后入学。

彼时，因为第一轮新冠疫情的原因，在学生未能返校的空荡校园里，张薇一个人思考课题、做预实验、测序送样。

由于是首次接触多组学测序，一开始她采用公司的模式化分析，但却让课题完全走入“死胡同”，导致项目停滞了大半年时间，一度她甚至想要放弃。

迫不得已，她开始自学生物信息分析，以新的研究角度进行数据挖掘，这时课题才得以重新进行下去。最终论文中呈现的三套组学数据，均是张薇带领学生分析得到的。

2020 年 9 月，张薇开始承担本科生教学工作。她表示：“青年教师在头几年上课的时候，还是不可避免会处于失衡状态。长达半年的时间里我都处于备课-上课-再备课的循环中，这让课题又一次处于完全停滞的状态。”

而她对于本次研究的最初预期是：蚕丝可能对干细胞分化和软骨损伤修复有影响，这也是她从读博以来研究得最为深入的方向。

随着课题推进和数据的深入挖掘，她和团队最终定位到干细胞旁分泌和皮肤损伤修复。这脱离了张薇原有的知识领域，期间由于采用的是不熟悉的实验方法和动物模型，为此历经了很多个“第一次”，但也让她彻底跳出了“研究舒适区”，颇有一种黑夜中孤独行走的感觉。

此外，实验室里的本科生盛仁旺（本次论文共同一作）负责论文修改与审稿意见回复。那段时间，他每天只睡几个小时，最终完成了 110 页 24000 余字的论文修改稿和 10000 多字的审稿意见回复。

张薇继续说道：“同时也感谢家人的支持，在过年论文修回期间爱人完全肩负起了照顾家庭的责任，让我可以无后顾之忧地留在南京和学生一起补实验、改论文，几乎每天 16 个小时泡在实验室，淋过很多次午夜的雨雪，也有幸品尝了食堂的免费春节大餐。所幸，一切努力都是值得的。”

正如前面提到的，本次研究仅以间充质干细胞为例，探究了蚕丝蛋白与干细胞的相互作用。生物材料植入体内后，机体内的多种细胞尤其是免疫细胞都会产生响应。

接下来，课题组将重点评估蚕丝材料的免疫调节作用，从而进一步评估蚕丝材料的安全性和功能性。

此外，他们计划基于现有对丝素蛋白、丝胶蛋白的内在生物活性认识，通过理化调控来构建具有组织特异性修复能力的支架，以用于多种难愈性损伤的治疗。

参考资料：

1.Zhang, Y., Sheng, R., Chen, J., Wang, H., Zhu, Y., Cao, Z., ... & Zhang, W. (2023). Silk Fibroin and Sericin Differentially Potentiate the Paracrine and Regenerative Functions of Stem Cells Through Multiomics Analysis.Advanced Materials, 35(20), 2210517.