پردازش پروتئین‌های نو ترکیب تار عنکبوت به مواد مصنوعی برای کاربردهای بیومواد

پردازش پروتئین‌های نو ترکیب تار عنکبوت به مواد مصنوعی برای کاربردهای بیومواد

پردازش پروتئین‌های نو ترکیب تار عنکبوت به مواد مصنوعی برای کاربردهای بیومواد

 
موضوع : پردازش پروتئین‌های نو ترکیب تار عنکبوت به مواد مصنوعی برای کاربردهای بیومواد

گردآورنده و مترجم : کیانا خزاعی
دانشجوی داروسازی دانشگاه آزاد دامغان
شهریور 1400


چکیده :

ابریشم عنکبوت دارای خواص مکانیکی فوق العاده ای است. از جمله زیست سازگار و زیست تخریب پذیر است و بنابراین یک ماده ایده آل برای کاربردهای زیست پزشکی است. با این حال، یکی از مشکلات آن به منظور هرگونه کاربردی، ناهمگونی ابریشم عنکبوت است.

همچنین دسترسی به آنها بدلیل آدم خواری اکثر عنکبوت ها سخت است.

توسعه یافتن و نوترکیبی پروتئین های ابریشم عنکبوت به تازگی نیز خواص مواد آن را تضمین می کند.

کاربردهای آن شامل اصلاح ، مانند پوشش ایمپلنت ، داربست برای مهندسی بافت ، زخم دستگاه های پانسمان و همچنین سیستم های تحویل دارو است .

 

مقدمه :

الیاف تار عنکبوت، دانشمندان را به دلیل خواص مکانیکی فوق العاده آن، مجذوب خود کرده است که این خواص به شرح زیر است :

1) استحکام و قابلیت ارتجاعی  بدون ایجاد حالت سختی که الیاف طبیعی یا مصنوعی دیگر نمی توانند بوجود آورند ، ارائه می دهد.

2) علاوه بر این ابریشم عنکبوت، زیست سازگار و زیست تخریب پذیر است و خواص ضد حساسیت مناسب برای زیست پزشکی را نشان می دهد.

نکته مهم تر آن است که عنکبوت ها از آنجا که انواع مختلفی از تار را تولید می کنند، تار عنکبوت یک کلاس کامل از مواد با خواص مختلف دارد.

 

ابریشم عنکبوت با بهترین مشخصه، Major Ampullate (MA)/Dragline silk است.

دو کلاس عمده ی آمپولات اسپیدروئین شناسایی شده در الیاف کششی وجود دارد که MaSp1 و MaSp2 نامیده می شوند ، که از نظر محتوای پرولین و آبگریزی متفاوت هستند.

 همه اسپیدروینهای آمپولات اصلی شامل یک ماده بسیار تکراری هستند.

اما دامنه اصلی، توسط ترمینالهای غیر تکراری احاطه شده است. در حوزه اصلی نقوش اسید آمینه متمایز (غنی از گلیسین و پلی آلانین) ساختارهای ثانویه (کویل تصادفی/ مارپیچ و b-sheet) را فعال می کند.

پایانه دامنه ها، در ذخیره سازی اسپیدروین ها و به عنوان یک چرخاننده در غده و در حین شروع نخ ریسی در عنکبوت نقش مهمی دارند.

 

خواص درمانی تار عنکبوت :

قرنهاست که از تار عنکبوت برای جلوگیری از خونریزی و ترویج بهبود زخم با موفقیت استفاده می شود. اخیراً از ابریشم عنکبوت به عنوان تکیه گاه مصنوعی برای بازسازی عصب استفاده شده است.

نقص های اعصاب محیطی را می توان با گرافت عصبی، ترکیبی ساخته شده از رگهای سلول زدوده  (رگ های بدون سلول)، الیاف ابریشم عنکبوت و سلولهای شوان(SC) با ماتریژل(ماتریس غشایی غنی از پروتئین های ماتریکس خارج سلولی) ترمیم کرد.

در یک مطالعه در گوسفندان بالغ، تار عنکبوت مهاجرت سلول شوان، رشد مجدد Axonal و Remyelination را تقویت کرد. که در نتیجه بازیابی الکتروفیزیولوژیک در عصب تیبیال 6.0 سانتی متری را درپی داشت.

علاوه بر این، الیاف ابریشم عنکبوت بومی به عنوان نخ بخیه Microsurgical  برای جایگزینی مواد معمول در جراحی های میکرو و جراحی مغز و اعصاب آزمایش شد.

نشان داده شد که خواص مکانیکی بخیه های تار عنکبوتی بافته شده نسبت به بخیه های نایلونی که درحال حاضر انتخاب برتر هستند، بالاتر بود. با این حال،یکی از اشکالات اصلی بخیه های ابریشم طبیعی عنکبوت،  ناهمگن بودن الیاف است، همانطور که در سایر موارد طبیعی نیز مشاهده شده است.

 

همچنین به دلیل تفاوت های فردی، خواص ابریشم از عنکبوتی به عنکبوت دیگر متفاوت است و تغییرات محیطی و دسترسی سخت به این مواد طبیعی به دلیل رفتار آدم خواری عنکبوتها از جمله اشکالات دیگر استفاده از آنهاست .

تولید بیوتکنولوژیکی پروتئین های ابریشم عنکبوت و همچنین توسعه تکنیک های پردازش ابریشم، استفاده از تار عنکبوت به منظورهای بیوپزشکی را آغاز کرد.

کاربردهایی مانند پوشش ایمپلنت ، سیستم های تحویل دارو و یا داربست برای مهندسی بافت ، که هر یک در اینجا مطرح می شوند.

تولید نوترکیب پروتئین های تار عنکبوت (RSSP):

در دهه های گذشته، چندین پروکاریوت و یوکاریوت میزبان در مورد تولید نوترکیب تار عنکبوت آزمایش شده است.

مزایای پروتئین های ابریشم عنکبوت نوترکیب (RSSP) یکنواختی مواد اولیه و همچنین قابلیت پردازش قابل کنترل در مورفولوژی های مختلف، مانند فیلم، هیدروژل، ذرات یا مش غیر بافته شده برای استفاده های مختلف است.

 علاوه بر این ، بیوتکنولوژی مهندسی ژنتیک، قادر است تا گروه های عملکردی را بطور مستقیم روی RSSP بارگذاری کند.

ساده ترین اصلاح ژنتیکی، ترکیب بقایای اسیدهای آمینه با بقایای زنجیره های جانبی است. مانند بقایای سیستئین که شامل گروه های تیول است.

یکی از واریانت های سیستئین (بر اساس پروتئین ابریشم Dragline ADF4 A. Diadematus) است که اجازه پیوند کووالانسی پپتیدها، آنزیم ها یا ذرات قبل و بعد از پردازش ابریشم به مواد را میدهد که این خود پتانسیل بالایی را برای طیف گسترده ای از برنامه ها نشان می دهد.

 


مهندسی پروتئین های ابریشم عنکبوت
:  عملکرد توالی پپتیدها

برای کاربردهای مواد زیستی ، فعل و انفعالات خاصی بین سلول ها و سطح یک ماده ضروری است.

پروتئین های ابریشم عنکبوت را می توان به طور مثال با پپتیدهای چسبنده سلولی، برای بهبود اتصال سلولی تغییر داد. مانند اتصال اینتگرین RGD (Arg-Gly-Asp)

عملکرد پروتئین های ابریشم عنکبوت یا هیبریدهای ابریشم با پپتیدهای ضد میکروبی می توانند رویکرد جدیدی برای دستیابی به مواد زیستی چند منظوره همچون حمایت از عفونت ها و رشد سلول باشند.

به تازگی در یک مطالعه پپتیدهای ضدمیکروبی انسانی شامل HNP-2 و HNP-4 و هپسیدین به یک RSSP، فیوز شدند. هیبریدهای ابریشمی تبدیل به فیلم هایی شدند که فعالیت ضد میکروبی در مقابل گرم منفی E.coli و گرم مثبت S. aureus نشان می دادند.

مطالعات in vitro در این باره نشان دهنده سازگاری این فیلم ها با سلول های پستانداران بود. و مطالعات in vivo روی موش نشان داد پروتئین تار عنکبوت- هپسیدین بسیار سازگار با محیط زیست بوده و باعث یک واکنش التهابی خفیف تا کم می شود.

در یک رویکرد مشابه، ترکیبی بین ابریشم عنکبوت و پپتید اتصالی نقره تولید شد، که می توانست به فیلم پردازش شود. این فیلم ها از یون های نقره از یک محلول نیترات نقره جدا شده و پس از آن توانست رشد میکروبی گرم مثبت و همچنین باکتری های گرم منفی در شرایط آزمایشگاهی را مهار کند.

پپتیدهای دیگر مانند پپتیدهای نفوذ کننده به غشا و پپتید های بی ثبات کننده (ccp)  نامزدهای مفیدی برای ترویج انتقال ژن هستند. در این زمینه ، ابریشم نوترکیب عنکبوت به همراه چند ماده از جمله پلی پلی سین و پپتید ppTG1 وغشای سلولی غنی از لیزین، با خاصیت بی ثبات کنندگی غشا(Destabilizing) برای اتصال DNA به پلاسمید (pDNA) بکار رفتند و به عنوان حامل ژن بسیار کارآمد طراحی شدند. به تازگی پروتئین های همجوشی تولید شده، ترانسفکشن مفیدی را نشان دادند.

کارایی این نوع قابل مقایسه با معرف ترانسفکشن لیپوفکتامین 2000 بوده، و در عین حال امکان آزادسازی ژن را با کنترل تجزیه آنزیمی کنترل می کند.

 

پردازش پروتئین های ابریشم عنکبوت مهندسی شده برای کاربردهای پزشکی:

پروتئین های ابریشم عنکبوت را می توان به روکش هایی تبدیل کرد که می تواند برای بهبود سازگاری زیستی و سطحی مواد زیستی مانند ایمپلنت های سیلیکونی بکار گرفته شود. سیلیکون های این نوع، بسیار مقاوم دربرابر واکنش های هیدرولیتیک و تجزیه آنزیمی هستند، اما به طور قابل توجهی آب گریزند. بنابراین، چسبندگی پروتئین ها و سلول ها و همچنین تکثیر سلول های التهابی و سلولهای فیبروتیک را بدنبال دارند.

اغلب عارضه شناسایی شده در اکثر بیماران استفاده کننده، فیبروز کپسول است که در 27 درصد از بیماران در اولین سال پس از جراحی رخ می دهد. پوشش های از این جنس باعث کاهش فیبروز و انقباض پس از کاشت در موش شد، زیرا که پوشش ابریشم مهار شده و چسبندگی فیبروبلاست، تکثیر و سنتز کلاژن I از بین میرود.

علاوه بر این، کاهش قابل توجه ضخامت کپسول، التهاب بعد از عمل و مدل سازی مجدد خارج سلولی ماتریسی برای ایمپلنت های روکش ابریشم در مقایسه با موارد بدون پوشش مشاهده شد.

مش های نبافته از جنس طبیعی (به عنوان مثال کلاژن، فیبروئین) یا پلیمرهای مصنوعی (به عنوان مثال PLGA ، PCL) دارای یک پتانسیل بزرگ به عنوان یک ماتریس مصنوعی خارج سلولی (ECM) برای ترمیم زخم و مهندسی بافت هستند.

در آزمایشی دیگر، چسبندگی و تکثیر فیبروبلاست rS1/9 و  فیبروئین کرم ابریشم طبیعی در طول یک هفته و مهاجرت سلول ها به لایه های عمیق داربست های متخلخل بررسی شد.

بعد، داربست های متخلخل ساخته شده از rS1/9 و  فیبروئین کرم ابریشم طبیعی در مورد ریز ساختار و رفتار فیزیولوژیکی مقایسه شد.

تفاوت قابل تشخیص در ریز ساختار با دیواره های داربست rS1/9 وجود داشت که ضخیم تر و حاوی ریز حفره های خاص هستند.

برخلاف آنهایی که مبتنی بر فیبروئین هستند، عروق و رشد متقابل بافت نفوذ شده با الیاف عصبی در موش در طی 8 هفته پس از کاشت زیر جلدی با استفاده از داربست rS1/9 ، بیشتر بود.

همچنین کاشت در نقایص استخوانی موش های صحرایی، اثر رژنراتیو و تعداد ماکروفاژها و سلولهای غول پیکر چند هسته ای ، در مورد داربست rS1/9 بهتر بود.

تار عنکبوت همچنین می توانند به عنوان  carrierهای ژنی برای رساندن دارو به سلول های توموری استفاده شود. از این موارد می توان کمپلکس های PDNA از RSSPهای غنی از لایزین و THP و CGKRK را نام برد.

 

نتیجه گیری:

در پنج سال گذشته ، ایجاد مهندسی پروتئین های تار عنکبوت نوترکیب به طور پیوسته منجر به افزایش تعداد موارد کاربردی ابریشم عنکبوت شده است. (شکل زیر)


مزایای ابریشم عنکبوت تولید شده به صورت نوترکیب شامل کیفیت بالا و همگنی پروتئین می باشند.

تولید مقیاس پذیر، و پردازش و همچنین عملکرد از طریق مهندسی ژنتیک به راحتی انجام می شود . همچنین ادغام پپتیدها با اسیدهای آمینه فردی ، توالی پپتیدی عملکردی یا حتی پروتئین ها قابل کنترل و انجام هستند. پروتئین های ترکیبی ابریشم عنکبوت میتوانند با ترکیبی از پروتئین های طبیعی و غیر طبیعی جدید باشند.

و در آخر ویژگی های تار عنکبوت ، راه را به سوی استفاده چند منظوره از مواد زیستی جدید باز می کند.

 
ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید:

برچسب ها: مقالات تخصصی

درج نظر



سوالات کاربران
تاکنون نظری برای این مطلب درج نشده است.