西南大学夏庆友教授团队利用基因工程技术改造开发蚕丝水凝胶用于提高小鼠免疫力
近日，美国化学协会杂志ACS Applied Materials & Interfaces（中科院大1区）在线发表了西南大学生物学研究中心夏庆友教授团队题目为“Fabrication of a Silk Sericin Hydrogel System Delivering Human Lactoferrin Using Genetically Engineered Silk with Improved Bioavailability to Alleviate Chemotherapy-Induced Immunosuppression”的研究论文。
免疫调节在疾病抵抗中起着关键的作用，接受化疗药物治疗的癌症患者常伴随严重的副作用，例如血液白细胞急剧减少、器官受损等。接受药物辅助化疗，减轻化疗对机体的损伤是一种可行的治疗方式之一。蛋白类药物具有高活性、高特异性和低毒性等特点，但蛋白质药物的生产成本高、生产条件苛刻、来源困难以及口服生物利用低等问题限制了其发展。因此，能够解决蛋白生产来源困难，同时提高蛋白口服利用率问题对于蛋白质药物的临床应用具有重要意义。
蚕丝是家蚕合成分泌的天然蛋白纤维，具有低免疫原性，良好的生物相容性，以及自组装等特点，常被用于开发药物传递系统。此外，蚕丝腺具有强大的泌丝功能，具备作为生物反应器的潜力，利用基因工程技术可将外源蛋白高效表达并整合至蚕丝中，既能有效解决外源蛋白来源和生产，同时又能赋予蚕丝新的生物学功能和用途。为此，作者利用家蚕丝腺生物反应器技术，让家蚕生物合成出具有免疫功能的重组乳铁蛋白（Recombinant human lactoferrin，rhLF）蚕丝，实现rhLF蚕丝的规模化低成本生产。随后，作者以rhLF蚕丝为原料开发rhLF丝胶水凝胶，并通过口服rhLF丝胶水凝胶有效提高了免疫低下小鼠的免疫力（图1）。
图1 遗传改良蚕丝水凝胶提升小鼠免疫力示意图doi.org/10.1021/acsami.1c08409
研究发现，以遗传改良的蚕丝制备的丝胶水凝胶能缓释rhLF，缓解胃肠道环境对rhLF的水解，延长rhLF的体内存留时间，促进rhLF在小肠部位吸收，与口服乳铁蛋白溶液相比，丝胶水凝胶递送rhLF显著增强了乳铁蛋白的生物利用率（图2）。
图2 体内药代动力学。（A）小鼠口服乳铁蛋白水凝胶和乳铁蛋白溶液后血清乳铁蛋白（rhLF）浓度；（B-C）口服rhLF丝胶水凝胶的生物分布。doi.org/10.1021/acsami.1c08409
进一步地，作者将低剂量的rhLF-丝胶水凝胶灌胃免疫力低下的小鼠（环磷酰胺致免疫抑制），可以重塑小鼠的两大免疫器官脾脏和胸腺，提高脾脏免疫标记物CD3分子的表达，显著提高小鼠血液淋巴细胞和白细胞数量，提高小鼠碳粒廓清指数指数和NK细胞活性等，达到与口服高剂量rhLF溶液对照相当的疗效（图3）。
图3 rhLF丝胶水凝胶对免疫抑制小鼠胸腺和脾脏的影响。（A）小鼠处理流程图；（B）各处理组小鼠胸腺；（C）各处理组小鼠胸腺指数；（D）各处理组小鼠脾脏；（E）各处理组小鼠脾脏指数。CK表示健康小鼠；S、SSH-WT、SSH-rhLF（0.17）、SSH-rhLF（0.34）和STD-rhLF分别表示生理盐水、WT丝胶水凝胶、rhLF丝胶水凝胶（rhLF浓度为0.17mg/mL）、rhLF丝胶水凝胶（rhLF浓度为0.34mg/mL）和rhLF溶液处理免疫抑制小鼠。doi.org/10.1021/acsami.1c08409
综上，作者开发的口服型rhLF-丝胶水凝胶具有以下优势和意义：
1）原材料来源便捷、高效，通过饲养转乳铁蛋白基因的家蚕即可获得含有乳铁蛋白的蚕丝；
2）具有高生物相容性，无论从细胞还是小鼠均未观察到任何毒性现象；
3）材料制备便捷性，与传统的药物添加制备药物传递系统不同，丝胶水凝胶中的乳铁蛋白无需通过额外添加；
4）显著提高了口服乳铁蛋白的生物利用率，为蛋白类药物口服利用提供了理论依据。
文章第一作者为已毕业博士许胜（现为广西医科大学再生医学研究中心博士后），王峰副教授和夏庆友教授为本文共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金重点项目（32030103）和重庆市自然科学基金创新群体科学基金（cstc2020jcyj-cxttX0001）的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c08409
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