以蠶為師──可用於光熱治療及組織修復的絲蛋白材料

骨骼為繼肺臟、肝臟之後，第三常出現癌細胞轉移的組織類型，在傳統的手術與放射治療中，常會在過程中殺死並破壞體內的正常細胞與免疫系統，病患因此常選擇截肢來移除癌組織。在眾多新興療法中，光熱治療（photothermal therapy, PTT）似乎是可行的方法，其原理為利用可吸收特定波長（例如，近紅外光 near infrared, NIR）的活化光感物質（photosensitizer）將光能轉換為熱能來達到殺死腫瘤細胞的目的，而在活化光感物質的設計上通常會使用各種具備良好光熱轉換效率的生物材料，像是金奈米棒（Au nanorods）、碳量子點（carbon quantum dot）等奈米材料。不過，此類型的材料雖可有效殺死癌細胞，卻無法修復因癌細胞引起的骨缺損（bone defect）現象，為臨床上的一大問題。有鑑於此，來自中國廈門大學及新加坡國立大學的跨國研究團隊便利用以絲蛋白（silk fibroin, SF）為基礎開發的生物材料（圖一），並同時具有光熱治療與促進骨骼組織修復的功能 [1]。

絲（silk），為一種常見且歷史悠久的蛋白質材料，在自然界中已存在許多生物具有生產絲的能力，像是蠶、蜘蛛、草蛉等動物，而在人類紡織歷史上也早有相關的應用，著名的即為家蠶絲（mulberry silk）。在結構組成上，絲主要由兩種蛋白質組成（圖二），分別為絲蛋白及絲膠（sericin），絲蛋白由經雙硫鍵（disulfide bond）連接的重鏈及輕鏈所組成（圖二 a）[2]，由於重鏈蛋白質序列中甘胺酸（Glycine, Gly）大量存在，因此可經由氫鍵形成穩定的 β-sheet 二級結構（圖二 b），可為絲蛋白提供良好的機械強度，加上絲蛋白的高生物相容性及易加工特性，使其在生醫應用上獲得廣泛的關注。

為了賦予光熱治療的特性，研究團隊合成聚多巴胺奈米粒子（polydopamine nanoparticles, PDA NPs）添加於絲蛋白材料中（圖三 a），製造出功能性的絲蛋白骨架（PDA@SF）。為了找出 PDA NPs 的最適添加濃度，則進行力學與溫度分析，結果顯示含有 1.2 % PDA NPs 的 PDA@SF 具有 1.52 MPa 的抗壓強度（compressive strength），使用NIR照射後也顯示良好的加熱效果（51.7 °C），和未經 PDA NPs 修飾的 SF 相比皆有更好的機械性能與光熱特性；在細胞實驗中也可發現不同濃度的 PDA@SF 並不會對正常細胞（成骨細胞 MC3T3-1）產生毒性，甚至有促進細胞生長的功能，而經 NIR 照射後癌細胞（骨肉瘤細胞 MG63）明顯下降，證實 PDA@SF 在骨骼修復與癌症治療上的潛力（圖三 b）。

由於 NIR 對生物組織的穿透度仍不足，為了提高臨床應用價值及治療效果，團隊便使用光纖（optical fiber）來增加光線穿透性，結果表明無論是在豬皮及小鼠皮膚上的測試中，光纖確實可有效提高 PDA@SF 的光熱效果（圖三 c），也為後續動物實驗中提供了改善方法。

綜上所述，由於絲蛋白材料的獨特性質，其在生醫領域上有非常多的潛力，若經修飾上不同的奈米材料後更可賦予額外的功能，在研究團隊的最新後續研究中更將此平台和電子設備結合 [3]，可用於未來穿戴式裝置的設計上，一定程度擴展了絲蛋白材料的用途，顯示絲蛋白材料還有更多的未知用途值得科學家們去研究。值得一提的是作為絲成分之一的絲膠，在紡織業中為了增加絲質材料的柔軟度等性質，加工上通常會將絲經過脫膠（degumming）步驟去除殘留的絲膠而造成大量的廢棄物，在早期研究中也發現絲膠似乎會引起發炎及過敏反應，所以僅利用絲蛋白作為後續應用，但近年研究顯示絲膠也是一種可行的生物相容性材料 [4][5]， 並可用於組織工程、藥物輸送等用途，若能有效利用，也能減緩工業廢棄物浪費造成的環境、經濟問題。

 

Investigator 選文｜絲蛋白衍生材料於各領域的應用

1. 食品包裝材料：絲蛋白材料於食品包裝上的應用
   • Marelli, B., Brenckle, M., Kaplan, D. et al. Silk Fibroin as Edible Coating for Perishable Food Preservation. Sci Rep 6, 25263 (2016). https://doi.org/10.1038/srep25263
   • 衍生新創公司：Cambridge Crops
   • 麻省理工學院報導：MIT startup wraps food in silk for better shelf life
2. 生物電子學（bioelectronics）：應用於生物電子設備的可光交聯絲蛋白材料
   • Ju, J., Hu, N., Cairns, D., Liu, H., & Timko, B. (2020). Photo-crosslinkable, insulating silk fibroin for Bioelectronics with enhanced cell affinity. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.11888202
   • 美國塔夫茨大學（Tufts University）報導：Bioelectronic scaffolding with silk fibroin

Main Article:
Miao, H., Shen, R., Zhang, W., Lin, Z., Wang, H., Yang, L., Liu, X., & Lin, N. (2020). Near‐Infrared Light Triggered Silk Fibroin Scaffold for Photothermal Therapy and Tissue Repair of Bone Tumors. Advanced Functional Materials, 31(10), 2007188. https://doi.org/10.1002/adfm.202007188

參考文獻：

1.  Miao, H., Shen, R., Zhang, W., Lin, Z., Wang, H., Yang, L., Liu, X., & Lin, N. (2020). Near‐Infrared Light Triggered Silk Fibroin Scaffold for Photothermal Therapy and Tissue Repair of Bone Tumors. Advanced Functional Materials, 31(10), 2007188. https://doi.org/10.1002/adfm.202007188
2. Sun, W., Gregory, D. A., Tomeh, M. A., & Zhao, X. (2021). Silk Fibroin as a Functional Biomaterial for Tissue Engineering. International Journal of Molecular Sciences, 22(3), 1499. https://doi.org/10.3390/ijms22031499
3. Chen, W., Miao, H., Meng, G., Huang, K., Kong, L., Lin, Z., Wang, X., Li, X., Li, J., Liu, X., & Lin, N. (2022). Polydopamine‐Induced Multilevel Engineering of Regenerated Silk Fibroin Fiber for Photothermal Conversion. Small, 18(11), 2107196. https://doi.org/10.1002/smll.202107196
4. Lamboni, L., Gauthier, M., Yang, G., & Wang, Q. (2015). Silk sericin: A versatile material for tissue engineering and drug delivery. Biotechnology Advances, 33(8), 1855–1867. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2015.10.014
5. Kunz, R. I., Brancalhão, R. M. C., Ribeiro, L. D. F. C., & Natali, M. R. M. (2016). Silkworm Sericin: Properties and Biomedical Applications. BioMed Research International, 2016, 1–19. https://doi.org/10.1155/2016/8175701

 

撰文｜梁文
審稿｜黃云宣