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2017年4月5日

用于药物输送再生医学和伤口愈合的

抗生素蜘蛛丝

蜘蛛专家和化学家的偶然相遇引领了抗菌合成蜘蛛丝的发展。

诺丁汉大学的一个多学科的科学家团队经过5年的工作,开发出一种生产化学官能化的蜘蛛丝的技术,这种技术适用于药物输送技术的应用、再生医学和创伤愈合。

诺丁汉的研究小组首次发现“点击化学”可以用来连接分子,如抗生素或荧光染料,从而通过大肠杆菌人工合成蜘蛛丝。通过生物技术和生物科学研究委员会(BBSRC)资助的这项研究,于今天发表于在线杂志先进材料。

所选择的分子可以在可溶性丝蛋白被转化为纤维之前或纤维形成后被“点击”到位。这意味着,这个过程可以很容易地控制并且可用多种类型的分子“装饰”个别丝股。

诺丁汉的突破

在分子生物科学中心的实验室里,化学院的 Neil Thomas教授与生命学院的Sara Goodacre博士合作领导着一个由BBSRC DTP赞助的博士生组成的团队,其初始成员为David Harvey,后来Victor Tudorica,Leah Ashley  Tom Coekin也参与其中。他们已经开发出了这种官能化的“重组”人造蜘蛛丝,并通过使用各种小分子使其多样化。

他们发现,当用抗生素左氧氟沙星“装饰”这些“蜘蛛丝”纤维时,至少在5天时间内,纤维中持续释放出左氧氟沙星并保持其抗菌活性。

医药和生物化学教授尼尔托马斯说:“我们的技术,可以快速产生生物相容性,单或多官能的丝绸结构,这些丝绸可以被应用于各个领域。这种技术在组织工程和生物制药领域有特别的应用。”

蜘蛛丝的卓越品质

蜘蛛丝坚固,生物相容并可生物降解。这是一种以蛋白质为基础的材料,不会出现强烈的免疫,过敏或炎症反应。随着重组蜘蛛丝的最新发展,科学家开始争相寻找利用其卓越品质的方法。

诺丁汉研究小组已经表明,他们的技术可以用来创建一个可生物降解的网格,可以同时完成两个工作。它可以取代我们自己细胞产生的细胞外基质,加速新组织的生长,也可用于抗生素的缓慢释放。

托马斯教授说:“有可能将这种丝绸用于先进的敷料以治疗缓慢愈合的伤口,如糖尿病溃疡。使用我们的技术可以通过抗生素控制释放,在几个星期甚至几个月内预防感染。同时,丝纤维作为临时的支架在降解的同时会加速组织的再生。”

百年蜘蛛丝的药用特性

人们对蜘蛛丝的药用特性的研究已经持续了几个世纪,但还没有完全理解。希腊人和罗马人用蜘蛛网来治疗士兵的伤口使其止血。据说,士兵们将利用蜂蜜和醋清洗伤口,然后在整个伤口上覆盖蜘蛛网。

甚至莎士比亚在《仲夏夜之梦》中说道:“我希望跟您交个朋友,好主人蛛网,”人物的“潜台词”是说。“如果我割破我的手指,我会拥有你的胆识。”

 “我想我们可以这样做!”

 5年前在大学里的一次学科衔接会议上将这个想法达成一致。古达克博士说,那次会议中与托马斯教授的偶遇是她职业生涯中最富有成效的下午。

领导生命科学学院蜘蛛实验室的古达克博士说:“我在那次会议上,给观众展示了画有一些蜘蛛丝的图片。我说:‘我想知道这丝绸是怎么做的,然后再做一些。’”

“在会议结束时尼尔走过来对我说‘我想我的团队可以做到’。他还建议说可能会有更多有趣的‘调整’,用不同的有用的化合物永久的‘装饰’蜘蛛丝,或可由于环境的酸碱度的变化在一定时期内释放有用的化合物。”

该方法需要用细菌生产一种蚕丝蛋白,其中一种通常不出现在蛋白质中的氨基酸被列入序列里。含有这种氨基酸的叠氮基团,被广泛应用于在蛋白质中特定位置的“点击”反应。这种改造方法以前没有人对蜘蛛丝进行过,但最大的问题是它能起作用吗?

古达克博士说:“看到一个博士后进行一个构建合成丝的初步研究开启了这个有趣的冒险。他以前是一个蜘蛛实验室的博士生,之前进行狼蛛相关的研究。多亏了他的工作,我们发现我们可以生产出细菌中的丝蛋白。一个新的博士生大卫·哈维随后加入了我们,他不仅用不寻常的氨基酸合成丝纤维,而且装饰它并使它显示出抗菌活性。此后,他扩展了最初的想法,使其远远超出了我们所认为的可能。”

David Harvey的工作在文章中有所描述,但是Thomas教授和Goodacre博士说,这仅仅是个开始。还有其他的蜘蛛实验室/托马斯实验室的学生在使用这种技术,并期望进一步发展这种技术。

David Harvey,这一论文的第一作者,刚刚被授予博士学位,现在是BBSRC的一个博士后研究员。所以他仍是这项研究的核心。他目前的工作重点是驱动官能化的蜘蛛丝技术对伤口愈合和组织再生的商业应用。

5年之后,我们将进展到什么地步

Goodacre博士说:“可能本文仅仅是一个非常激动人心的使用新的蜘蛛丝材料系列研究的开端。未来的一些工作也将支持蜘蛛和蜘蛛丝世界的其他新想法,而SpiderLab目前正在试图解开这些谜团。”

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