دوره 9، شماره 34 - ( 1-1398 )                   جلد 9 شماره 34 صفحات 9-22 | برگشت به فهرست نسخه ها

XML English Abstract Print


Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:

Motasadizadeh H, Fatahi Y, Molla-Kazemiha V, Amanzadeh A, Farokhi M. New drug delivery systems based on polymeric silk fibroin. NCMBJ. 2019; 9 (34) :9-22
URL: http://ncmbjpiau.ir/article-1-1181-fa.html
متصدی زاده حمیدرضا، رضایی فاطمه، فتاحی یوسف، ملاکاظمی‌ها وحید، امان‌زاده امیر، فرخی مهدی. سیستم‌های نوین دارورسانی بر پایه پلیمر فیبروئین ابریشم. مجله تازه هاي بيوتكنولوژي سلولي و مولكولي. 1398; 9 (34) :9-22

URL: http://ncmbjpiau.ir/article-1-1181-fa.html


1. گروه نانوفناوری دارویی ، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران، ایران
متن کامل [PDF 597 kb]   (884 دریافت)     |   چکیده (HTML)  (1923 مشاهده)
متن کامل:   (998 مشاهده)
مقدمه
یکی از مهم­ترین چالش­هایی که در زمینه دارورسانی مطرح است، نفوذپذیری به سلول­های غیر هدف و اثرهای جانبی مختلف است. سیستم­های نوین دارورسانی به­منظور کاهش اثرهای جانبی داروها، بهینه­سازی کارایی درمانی آن­ها و افزایش رضایتمندی بیماران طراحی می­شوند. به­این منظور سیستم­های بسیاری با ساختار و مورفولوژی­های متفاوت نظیر فیلم­ها، الیاف­ها، ژل­ها، اسفنج­ها، میکروذره­ها و نانوذره­ها طراحی شده­اند. در ساخت حامل­های دارویی می­توان از پلی­مرهای زیست‌تخریب­پذیر سنتزی و طبیعی برای کنترل رهایش داروها استفاده کرد که در این میان سیستم­هایی که بر پایه پلی­مرهای طبیعی هستند به­دلیل مزایایی از جمله زیست­سازگاری، زیست­تخریب­پذیری، قیمت مناسب و در دسترس بودن، توجه زیادی را به خود جلب کرده­اند (37،35، 6). هر دو گروه پلی­مرهای طبیعی و سنتزی دارای مزایا و معایبی هستند. پلی­مرهای سنتزی در مقایسه با پلی­مرهای طبیعی، دارای یکنواختی ساختاری، خلوص بیش­تر و توانایی کنترل رهایش داروی بیش­تر هستند. شرایط واکنش سخت­تر و استفاده از حلال­های آلی برای تهیه نانوذره­ها با استفاده از پلی­مرهای سنتزی، کاربرد آن­ها را با محدودیت مواجه کرده است. پلی­لاکتیک ­اسید (PLA)، پلی­گلیکولیک­اسید (PGA)، پلی­لاکتیک-گلیکولیک اسید (PLGA) و پلی­آلکیل سیانواکریلات پلی­مرهای سنتزی نویددهنده‌ای برای کاربردهای بالینی هستند (37,35). با این حال، علیرغم طیف گسترده­ای از پلی­مرهای سنتزی موجود، اکثر سیستم­های دارویی مجاز (دارای مجوز سازمان غذا و داروی ایالات متحده آمریکا (FDA[1])) به­دلیل خواصی از جمله توانایی تخریب در محیط درون‌تن، فارماکوکینتیک مناسب و میزان تخریب قابل کنترل بر پایه PLGA، هستند. با این حال کاربردهای PLGA با برخی محدودیت­هایی از قبیل القای التهاب موضعی و محدودیت در رساندن پروتئین­های درمانی به­دلیل استفاده از حلال­های آلی مواجه است (54،44، 35). پلی­مرهای طبیعی (مانند آلژینات، کیتوسان، کلاژن، دکستران و ژلاتین) با دارا بودن زیست­سازگاری و زیست‌تخریب‌پذیری بالاتر نسبت به پلی­مرهای سنتزی و شباهت به ماکرومولکول­های زیستی می­توانند جایگزین مناسبی برای پلی­مرهای سنتزی باشند. اما عدم توانایی دست­یابی به نرخ رهایش قابل کنترل و رهایش پیوسته طولانی مدت، از محدودیت­های پلی­مرهای طبیعی به شمار می­روند (52). در نتیجه تحقیق­هایی بر روی سیستم­های دارورسانی کنترل شده بر پایه فیبروئین ابریشم[2] برای غلبه بر


روی محدودیت­های
سایر پلی­مرهای طبیعی گسترش یافته است. پروتئین ابریشم یک پلی­مر دارای مجوز FDA با خصوصیت­های منحصر به­فرد از جمله سرعت تخریب پایین، خواص مکانیکی فوق­العاده، فرآیندپذیری آسان در ترکیب با زیست سازگاری عالی است که به­طور موفقیت­آمیزی در کاربردهای گسترده از صنعت نساجی تا پزشکی و دارورسانی استفاده شده است.
ویژگی­های فیبروئین ابریشم
ابریشم به­طور عمومی به­عنوان یک پلی­مر پروتئینی شناخته می­شود که توسط کرم ابریشم، عنکبوت و یا حشره­ها ریسیده می­شود. ابریشم در حدود 2700 سال قبل از میلاد مسیح، در چین کشف شد و در قرن ششم از طریق جاده ابریشم به اروپا رسید (18). در چند دهه اخیر استفاده از ابریشم به­عنوان ساختارهای زیست پزشکی رو به افزایش است. ابریشم به­علت استحکام و سختی زیاد که به­طور کلی به­علت دارا بودن ساختارهای تاخورده ناهم‌سو بتا است، گزینه مناسبی برای کاربردهای زیستی به­شمار می­رود. پروتئین ابریشم شامل رشته مرکزی از نوع پلی­مرهای پروتئینی (فیبروئین)، یک پوسته چسبنده پروتئینی (سریسین) و هم­چنین نوعی پوشش از جنس پروتئین است. به بیان دیگر، ابریشم خام شامل دو الیاف موازی فیبروئین است که به­وسیله یک لایه سریسین روی سطحشان، کنار هم قرار می­گیرند. بعد از صمغ­زدایی ابریشم خام با از بین بردن سریسین، الیاف­های فیبروئین درخشان و نرم به­دست می‌آیند (شکل 1) الیاف­های فیبروئین از ترکیب خواص جذابی از قبیل استحکام، چقرمگی[3]، زیست­سازگاری، زیست­تخریب‌پذیری و پایداری حرارتی برخوردار هستند که نماینده یکی از تأثیرگذارترین الیاف­های پروتئینی طبیعی است که با این خواص بر بسیاری الیاف­های سنتزی و طبیعی پیشی می­گیرد (35،23).
سریسین یک پلی­مر محلول در آب است و وزن مولکولی آن در محدوده وسیع 300-10 کیلو دالتون است. به­طور معمول از این پوشش خارجی به­عنوان چسب یاد می­شود ولی شواهدی موجود است که نشان می­دهد این ماده علاوه­بر خاصیت چسبندگی به­عنوان ماده ضدقارچ و ضدباکتری فعالیت دارد. از سایر خواص سریسین می­توان به خاصیت آنتی­اکسیدانی، مقاومت و محافظت در مقابل نور ماوراء بنفش و هم­چنین قابلیت جذب و آزادسازی رطوبت اشاره نمود (55،14). ابریشم خام با توجه­به وجود سریسین یک ماده حساسیت­زا بوده که منجر به ایجاد آلرژی از نوع اول می­شود اما در صورتی­که سریسین به­طور کامل برطرف شود، پاسخی مبتنی بر حساسیت نسبت به ابریشم دریافت نخواهد شد (42،35، 5).
فیبروئین استخراج شده از ابریشم، شامل دو نوع زنجیره پلی­مری است. زنجیره سنگین[4] (KDa 391) و زنجیره سبک[5] (KDa 27) که توسط پیوندهای دی­ سولفیدی به یکدیگر متصل می­شوند(3). ماده دیگر موجود در فیبروئین، گلیکوپروتئین P25 است که برای کمک به تغییر و ترشح زنجیره سنگین فیبروئین مورد استفاده قرار می­گیرد. نسبت زنجیره سنگین: زنجیره سبک: P25 برابر 1:6:6 است (45). زنجیره سبک جهت ترشح پروتئین از غدد ابریشم ضروری است. P25 به هر دو زنجیره سبک و سنگین توسط پیوندهای داخلی غیرکوالانت متصل و برای تجمع زنجیره­های سبک و سنگین لازم است (45). زنجیره سنگین، پروتئین تشکیل­دهنده لیف است و ساختارش خواص لیف ابریشم را تعیین می­کند. زنجیره سنگین به­طور معمول به­عنوان پروتئین ابریشم شناخته می­شود.
شکل 2، ابریشم تولید شده به­وسیله کرم ابریشم بمبیکس موری[6] که ابریشمی با بهترین مشخصه­ها است را نشان می­دهد. همان­طور که گفته شد، ابریشم خام شامل دو الیاف فیبروئین که با یک لایه سریسین در سطحشان کنار هم قرار گرفته­اند، است. برای صمغ­زدایی ابریشم (حذف سریسین)، از سدیم کربنات (رایج‌ترین محلول بازی) استفاده می­شود تا رشته­های فیبروئین بازسازی شده، حاصل گردد و سپس به دنبال آن با استفاده از غلظت بالای محلول­های نمکی از قبیل لیتیم بروماید (رایج‌ترین نمک)، لیتیم تیوسیانات، کلسیم تیوسیانات و کلسیم کلراید برای از بین بردن پیوند هیدروژنی پایدارکننده صفحه­های بتا و سپس دیالیز در آب خالص، محلول فیبروئین به­دست می­آید (52). در شکل 2 کرم ابریشم بالغ و پیله تولید شده نیز نشان داده شده­اند. با توجه به فرآیندپذیری همه جانبه فیبروئین ابریشم، سیستم­های بسیاری با ساختار و مورفولوژی­های متفاوت نظیر اسفنج­ها، هیدروژل­ها، فیلم­ها، الیاف­ها، میکروذره­ها و نانوذره­ها می­توان از محلول فیبروئین به­دست آورد، اما فقط به این سیستم­ها محدود نمی­شود (شکل 2). از مهم‌ترین این سیستم­ها برای کاربردهای زیست پزشکی می­توان به تهیه نخ­های بخیه، حامل­های دارویی برای رهایش کنترل شده و هم­چنین داربست برای مهندسی بافت قرنیه، عصب، استخوان و ... اشاره کرد (9،12،23،36،37،41).
صورت­بندی­های[7] مختلف ابریشم
فیبروئین ابریشم می­تواند در صورت­بندی­های مختلفی شامل ابریشم نوع 1 (ابریشم I) و ابریشم نوع 2 (ابریشم II) و ابریشم نوع 3 (ابریشم III) وجود داشته باشد. ساختار نیمه پایدار و آب­دوست فیبروئین ابریشم بمبیکس موری، که به­عنوان ابریشم α یا ابریشم I شناخته می­شود، می­تواند به آسانی به ابریشم آب­گریز II با استفاده از روش‌های مختلف تبدیل شود. ابریشم II به آرایش مولکول­های فیبروئین به­صورت صفحه­های بتا اشاره دارد که استحکام بیش­تری دارد و مسئول بلورینگی بیش­تر فیبروئین است. رایج­ترین روش تبدیل ساختار درهم (مارپیچ یا ابریشم نوع 1) ابریشم به ساختار ورقه­های بتا (ساختار خیلی پایدار ابریشم نوع 2) با یک حلال آلی است. حلال­های آلی شناخته شده­ای از جمله متانول، اتانول، استون و... در کریستالیزاسیون فیبروئین ابریشم و تبدیل یک ساختار درهم به یک ساختار ورقه­ بتا، استفاده می­شوند (23). از دیگر روش­ها برای القای ساختار ورقه­ای بتا می­توان به استفاده از دمای بالا، استفاده از pH نزدیک به نقطه ایزوالکتریک فیبروئین ابریشم (نزدیک 4)، استفاده از نمک و نیروی برشی اشاره کرد (52). اگرچه کریستالینیتی، اساس پایداری سیستم­های بر پایه فیبروئین ابریشم است، با این حال افزایش بیش از حد کریستالینیتی منجر به کاهش انعطاف­پذیری و منجر به شکننده شدن سیستم­ها می­شود. به­علاوه، در زمان دارورسانی مولکول­های حساس مانند فاکتورهای رشد به­وسیله فیبروئین ابریشم، از روش­های ملایم­تر باید استفاده شود. استفاده از بخار آب می­تواند یک جایگزین بهتر برای القاء ساختار ورقه­ای بتا باشد. آنالیز کانفورماسیون13C-MAS NMR فیلم­ها و نانوالیاف­های فیبروئین ابریشم نشان داد که درصد ابریشم II بعد از القا به­وسیله بخار آب (47%-30%) کم­تر از استفاده از متانول (74%) است. تغییر در کریستالینیتی و در نتیجه آب­دوستی، گزینه­هایی برای تأثیر بر روی برهم­کنش بین مولکول­های دارو و فیبروئین ابریشم و هم­چنین سرعت تخریب آن عرضه می­کند که می­تواند یک گزینه جذاب برای سیستم­های دارورسانی با کینتیک رهایش مشخص باشد (52).
ابریشم I یک محلول پایدار است که در غدد کرم ابریشم ذخیره می­شود. صورت­بندی ابریشم I به­طور کامل شناخته شده نیست و به­صورت مجموعه­ای از صورت­بندی­ها (از میزان آرایش یافتگی خیلی پایین تا بلورهای آرایش یافته) وجود دارد. شکل­های آرایش یافته­تر در حالت­های گذار قبل از ریسندگی ابریشم II شکل می­گیرند. ابریشم II همان فیبروئین جامد است که می­تواند به­صورت الیاف ابریشم ریسندگی شود و صورت­بندی به­طور کامل شناخته شده­ای دارد. خلاصه­ای از خواص ساختمانی پروتئین­های سریسین و فیبروئین در جدول 1 بیان شده است.
ساختارهای مختلف پروتئین ابریشم
فیبروئین ابریشم بمبیکس موری، از بیش از ۵۰۰۰ آمینواسید تشکیل شده است. از نظر سازمانی، زنجیره سنگین فیبروئین ابریشم یک پلی­مر بسیار منظم است که شامل 12 ناحیه آب­گریز (نواحی کریستالی) با 11 ناحیه آب­دوست (نواحی آمورف) پراکنده، است (52). فیبروئین یک ماکرومولکول عظیم شامل نواحی کریستالی به میزان دو سوم و نواحی آمورف به میزان یک سوم کل ماده، است. از نظر ساختاری فیبروئین ابریشم به­عنوان یک کوپلیمر دسته­ای[8] طبیعی طبقه­بندی می­شود. بلوک­های آب­گریز شامل آمینواسیدهایی با زنجیره جانبی کوتاه مانند آلانین[9] و گلایسین[10] و سرین[11] است، در حالی­که بلوک­های آب­دوست شامل آمینواسیدهایی با زنجیره­های جانبی حجیم همراه با گروه­های آمینی باردار هستند. در این کوپلی­مر بلوک­های آب­گریز از ترتیب توالی به­صورت (گلایسین- آلانین- گلایسین- آلانین- سرین (GAGAS)) تبعیت می­کنند، ولی بلوک­های آب­دوست با ترتیب پیچیده­تری ساخته شده­اند (51،3).
ترکیب شیمیایی آمینواسیدهای تشکیل­دهنده فیبروئین و سریسین مربوط به پروتئین ابریشم را می­توان از مراجع آن یافت. طبق این مراجع، ترکیب درصد مولی آمینواسیدها در فیبروئین ابریشم به­صورت 1/44 % گلایسین، 6/28 % آلانین، 9/11 % سرین، 21/5 % تیروسین[12]، 8/1 % والین[13] و 39/8 % دیگر آمینواسیدهای باقی­مانده است. بنابراین خواص عمومی ابریشم با توجه­به خواص این آمینواسیدها ارزیابی می­شود(21). نواحی کریستالی، 94 % از کل رشته فیبروئین را تشکیل داده­اند و این نواحی کریستالی از تکرار متناوب هگزاپپتایدهای GAGAGS، GAGAGY، GAGAGA، GAGYGA ساخته شده­اند. GAGAGS بیش­ترین درصد (70 %) را در رشته متناوب هگزاپپتایدها شامل می­شود. هر ناحیه کریستالی به­طور متوسط از 4 زنجیره مجزا بتا تشکیل شده است و شامل 11 آمینواسید است. این زنجیرها از طریق پیچ­های بتا که از آمینواسید GAAS ساخته شده است به­همدیگر مرتبط می­شوند (58). شکل 3، زنجیره سنگین فیبروئین را نشان می­دهد. این زنجیره، شامل قسمت­های تکراری آب­گریز که در بین دامنه­های تکرارناپذیر آب­دوست قرار گرفته­اند، است. هر قسمت تکرار شونده شامل زیر مجموعه­هایی است که توسط پپتیدهای چهارگانه جدا می­شوند. هر زیر مجموعه شامل واحدهای تکرار شونده مختلف پپتیدهای شش­گانه هستند و توسط پپتیدهای چهارگانه GAAS تمام می­شوند (23).
خواص مکانیکی پروتئین ابریشم
Text Box: جدول ۱: خواص ساختمانی پروتئین‌های سریسین و فیبروئین.
الیاف ابریشم	سریسین ابریشم 28-19 %	فیبروئین ابریشم 81-72 %
نوع پروتئین	پروتئین چسب مانند	گلیکوپروتئین P25	فیبروئین سبک	فیبروئین سنگین
وزن‌مولکولی (KDa)	300-10	25	27	391
قطبیت 	آب‌دوست	آب‌گریز		
ساختار	ساختار غیربلورین یا آمورف	ابریشم I (مارپیچ‌های تصادفی و ساختار نامنظم)
		ابریشم II (ساختار بلورین)
وظیفه	چسباندن دو رشته فیبروئین به یکدیگر	پروتئین ساختمانی لیف
	پروتئین پوشش دهنده	فیلامنت پروتئینی مرکزی

خواص مکانیکی ابریشم، آن را از سایر مواد طبیعی شناخته شده، متمایز می­سازد. خواص ابریشم به­علت باندهای هیدروژنی زیاد، طبیعت آب­گریز پروتئین و بلورینگی قابل توجه آن، است. مدول الاستیک ابریشم بمبیکس موری 17-15 گیگاپاسکال و استحکام کششی آن 690- 610 گیگاپاسکال است (1). این خواص با افزایش درصد فیبروئین ابریشم، کاهش سایز و افزایش یکنواختی منافذ، افزایش می‌یابند. ترکیب مقاومت مکانیکی و ازدیاد طول شکست بالا در الیاف ابریشم آن را به ماده­ای خاص تبدیل نموده است. ازدیاد طول تا پارگی غیرعادی در این الیاف به روشنی توضیح داده نشده است، ولی در بسیاری از تحقیق­ها، آن را به قابلیت کشش نواحی آمورف و تبدیل آن­ها به فرم­های کشیده شده نسبت می­دهند. استحکام بالا در ابریشم به وجود صفحه­های بتا که در قالب نواحی بلورین گرد هم آمده­اند، نسبت داده می­شود. هم­چنین پیوندهای آب­گریز که بین نواحی بلورین وجود دارد، باعث تمامیت و پیوستگی در کل لیف می­شود (51،14).
خواص زیستی پروتئین ابریشم
جدا از هندسه و خواص مکانیکی، زیست سازگاری و زیست‌تخریب‌پذیری برای کاربردهای پزشکی مسائل مهمی هستند. پلی­مرهای مصنوعی مانند PLA، PLGA، پلی­کاپرولاکتان و پلی­مرهای طبیعی مانند ابریشم، آلژینات، کراتین، الاستین و کلاژن به­دلیل این خواص، برای کاربردهای پزشکی استفاده می­شوند.
مواد طبیعی به­دلیل خواص ساختاری و زیست­سازگاری فوق­العاده­شان بسیار مورد توجه قرار گرفته­اند. اگرچه نگرانی­هایی در مورد زیست­سازگاری ابریشم بمبیکس موری به­عنوان عامل حساسیت­زا نوع اول مطرح است و کاربردهای پزشکی ابریشم به این دلیل کاهش پیدا کرد، اما مشخص شد که سریسین مسبب ایجاد این حساسیت بوده است (13). با جداسازی سریسین و یا پوشش سیلیکون یا واکس در ساختار تجاری، واکنش حساسیت­زایی مشاهده نشد. بنابراین ابریشم اولیه (فیبروئین و صمغ سریسین) بالقوه آلرژی­زا بوده، اما ابریشم صمغ­گیری شده که سریسین از آن جدا شده است، زیست­سازگار است.

تخریب زیستی پروتئین ابریشم
در دهه اخیر، تنوع وسیع پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر سنتزی و طبیعی برای کاربردهای پزشکی و داروسازی مورد بررسی قرار گرفته­اند. پلی­مرهای زیست‌تخریب‌پذیر طبیعی مانند کلاژن، ژلاتین و فیبروئین ابریشم مزایای بسیار خوبی نسبت­به پلی­مرهای سنتزی دارند که دلیل آن، خواص مطلوبی از قبیل زیست­سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری است. زیست‌تخریب‌پذیری، شکست مواد پلی­مری به اجزای کوچک­تر است. بسته­به حالت تخریب، فیبروئین ابریشم می­تواند به­صورت پلی­مرهای قابل تخریب با آنزیم­ها طبقه­بندی گردد (10،3). آنزیم­ها نقش مهمی در تخریب فیبروئین­ بازی می­کنند. به­دلیل تخریب آنزیمی، خواص فیزیکی- شیمیایی، مکانیکی و بیولوژیکی خاص فیبروئین ابریشم به­طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته­اند. تخریب آنزیمی مواد زیستی یک فرآیند دو مرحله­ای است. مرحله اول جذب آنزیم روی سطح لایه از طریق دامنه سطح اتصال و دومین مرحله هیدرولیز پیوند استری است. به­عنوان یک پروتئین، فیبروئین ابریشم مستعد تخریب زیستی توسط آنزیم­های پروتئولیتیک مانند کیموتریپسین، پروتئاز XIV و کلاژناز IA است (28). در ابتدا، ابریشم توسط آنزیم­های مختلف جذب می­شود که نیازمند این است آنزیم­ها دامنه­های اتصال روی سطح مواد را، پیدا کنند. بعد از آن، ابریشم به­وسیله آنزیم­ها هضم می­شود. محصول­های حاصل از تخریب فیبروئین ابریشم به­آسانی در محیط درون­تن جذب می­شوند. این یکی از مزایای ابریشم است که در زمینه پزشکی کاربرد دارد (28). ابریشم نسبت به آنزیم­های مختلف نرخ زیست­تخریب­پذیری، متفاوتی را از خود بروز می­دهد. برخی مقاله­ها بر روی تخریب­پذیری فیبروئین ابریشم در مقابل آنزیم­های پروتئولیتیکی مختلف، تحقیق کرده­اند. کیموتریپسین برای تخریب مناطق آمورف فیبروئین مورد استفاده قرار می­گیرد (28). کیموتریپسین می­تواند پروتئین­های فیبروئین محلول را تخریب کند و اثری بر روی صفحه­های فیبروئینی ندارد. در مقابل، آنزیم­های دیگر به­خصوص پروتئاز XIV، به­طور گسترده­ای صفحه­های فیبروئین را تخریب می­نماید (3). پس از تخریب زیستی، تغییرهای قابل توجهی با توجه به ساختار و وزن مولکولی فیبروئین ابریشم، گزارش شده است. در مطالعه­های برون­تنی، رفتار تخریب ابریشم با آنزیم­های پروتئولیتیک، فیبروئین­های ابریشم به مناطقی با بلورینگی کمتر تقسیم می­شوند که قادرند برای متابولیسم بیش­تر، توسط سلول­ها فاگوسیتوز شوند. به­طور کلی، رفتار تخریب ابریشم، با توجه به نوع آنزیم­ها متفاوت است. برای مثال، زمانی­که صفحه فیبروئین ابریشم، شامل مقدار کمی ساختار بلوری ابریشم نوع II، در محلول آنزیم پروتئولیتیک (پروتئاز XIV) غوطه­ور شد، ساختار بلوری ابریشم نوع II ناپدید شد و ساختار ابریشم نوع I تشکیل شد (28). کلاژناز IA، ابریشم نوع II را به­میزان کم، تخریب می­کند. اعتقاد بر این است که کیموتریپسین، ابریشم را تخریب می­کند ولی اثر قابل محسوسی بر روی تخریب فیلم­های ابریشم ندارد (3). علاوه­بر آنزیم­های پروتئولیتیک، فیبروئین ابریشم می­تواند توسط روش­های دیگر، مانند تابش اشعه گاما تخریب شود. تابش گاما، به­طور مستقیم بر روی کاهش استحکام کششی الیاف فیبروئین اثر می­گذارد. با توجه به تضعیف پیوند پپتیدی در پلی­پپتیدها، کاهش ساختار صفحه­ای بتا و هم­چنین رهایش پروتئین­های با وزن مولکولی کم در محصول­های تخریب، می­توان نتیجه گرفت که تخریب زیستی فیبروئین ابریشم با افزایش شدت اشعه گاما، افزایش می­یابد (3).
ساختارهای مختلف فیبروئین ابریشم برای کاربرد رهایش عامل­های درمانی
پروتئین ابریشم، یک پلی­مر دارای مجوز FDA است که به­طور موفقیت­آمیز به­عنوان نخ بخیه و سیستم­های رهایش دارو کاربرد دارد. این پروتئین، خصوصیت­های مکانیکی بسیار عالی، فرآیند فعال­سازی قابل انعطاف و زیست سازگاری بسیار بالایی دارد (35). داروها یا به­صورت سطحی یا حجمی در حامل­های فیبروئین بارگذاری می­شوند. این حالت­ها به نوع دارو، مقدار بارگذاری و کینتیک رهایش مورد نیاز بستگی دارد. در بارگذاری سطحی، عامل­های درمانی به­طور مستقیم بر روی حامل فیبروئین، اتصال یا جذب می­شوند (23). گروه­های عاملی بسیاری که در سطح ابریشم وجود دارد، امکان اصلاح شیمیایی این پلی­مر و اتصال داروهای متنوعی را فراهم می­سازد و هم­چنین شرایط فرآیندی ملایم این پلی­مر امکان بارگذاری داروهای حساس را امکان‌پذیر می‌سازد(35).
در بارگذاری حجمی، عامل­های درمانی در بین رشته­های فیبروئینی به دام می­افتند. به­طول معمول بارگذاری حجمی به بارگذاری سطحی ترجیح داده می­شود، به­این دلیل­که بارگذاری حجمی، اجازه بارگذاری عامل­های درمانی به­میزان بیش­تر و رهایش طولانی مدت­تر و پیوسته­تری را می­دهد. در بارگذاری حجمی، عامل­های درمانی در داخل محلول ابریشم مخلوط و یا حل شده و در ادامه حامل­های پایدار مکانیکی (میکرو و نانوذره­ها، فیلم و ..) ساخته می­شوند (23).
تا به امروز، ساختارهای مختلف فیبروئین ابریشم شامل اسفنج­ها (11،8)، فیلم­ها (32،17)، الیاف­ها (11،8)، هیدروژل­ها (46،20)، میکرو (50،2) و نانوذره­ها (40،38،15) برای کاربردهای رهایش دارو و مهندسی بافت توسعه یافته­اند. در جدول2 تعدادی از پژوهش‌های انجام شده بر روی ساختارهای مختلف فیبروئین ابریشم فهرست شده است. در ادامه به اختصار به توضیح موارد فوق پرداخته می­شود:
اسفنج­های سه بعدی متخلخل
اسفنج­های متخلخل ابریشمی به­دلیل ایجاد ریز محیط[14] فیزیولوژیکی مشابه بدن گزینه مناسبی برای مهندسی بافت هستند. روش مورد استفاده برای ساخت اسفنج متخلخل، یک عامل مهم است که می­تواند روی خواص آن، شامل تخلخل، زمان تخریب، خواص مکانیکی، شیمی سطح و.... اثر بگذارد (52،37). اسفنج­های متخلخل ابریشمی می­توانند با استفاده از روش­های از جمله فروشویی ذره­ای و قالب‌گیری حلال[15]، اسفنج شدن گازی[16] و یا خشک کن انجمادی[17] بعد از شکل دادن در قالب مناسب ایجاد شوند. استفاده از روش­هایی مانند حلال شویی ذره­ها منجر به کنترل بهتر بر روی تشکیل حفرها با سایز کنترل شده می­شود ولی مدت طولانی حلال شویی ذره­ها می­تواند منجر به رهایش داروی بارگیری شده شود و هم­چنین استفاده از غلظت­های بالای نمکی می­تواند تأثیر منفی بر روی یکنواختی و فعالیت داروهای حساس مانند فاکتورهای رشد داشته باشد. خشک کن انجمادی رایج­ترین روش ایجاد ماتریکس اسفنجی متخلخل است. در این روش با کنترل دما و غلظت محلول ابریشم می­توان سایز منافذ را در اسفنج متخلخل ابریشمی کنترل کرد. دمای پایین­تر به­دلیل کاهش زمان مورد نیاز برای رشد کریستال­ها، منجر به کاهش سایز حفره­ها و افزایش تخلخل می­شود در حالی­که دمای بالاتر منجر به افزایش سایز حفره­ها و کاهش تخلخل می­شود. به­علاوه افزایش غلظت محلول ابریشمی منجر به کاهش سایز حفره­ها و کاهش ارتباط بین حفره­ها می­شود. اگرچه شکل و اندازه منافذ می­تواند با تغییر پارامترهای این تکنیک تغییر کند، اما منافذ به­دست آمده تصادفی هستند (52).
فیلم­های ابریشمی
فیلم­های فیبروئین ابریشم توسط فرآیند ریخته­گری محلول­های ابریشمی یونی، اسیدی و آبی تولید می­شوند. هم­چنین تکنیک­های رسوب لایه به لایه چرخشی یا دستی برای تولید فیلم­های خیلی نازک، استفاده می­شوند. پایداری فیلم­های ریخته­گری شده توسط تکنیک­هایی مانند خشک کردن، بازپخت آبی[18] و غوطه­وری در الکل برای بهبود ورقه­های کریستالی بتا، انجام می­شود (25). فیلم­های ساخته شده توسط این روش­ها، به­طور معمول شکننده هستند. بنابراین ساخت فیلم­های کامپوزیتی فیبروئین ابریشم با مخلوط پلی­مرهای طبیعی یا سنتزی می­تواند راه حل خوبی باشد. این فیلم­های دو بعدی ساخته شده ممکن است کینتیک رهایش متفاوتی نسبت به ماتریکس­های سه بعدی از خود نشان دهند (52). با اتصال گروه­های فعال پپتیدی به فیلم­های ابریشمی از آن­ها به­عنوان ایمپلنت برای تشکیل استخوان و رهایش دارو استفاده شده است. هم­چنین این فیلم­ها برای رهایش داروی موضعی از طریق ایمپلنت کردن مستقیم کاربرد دارند (42). الیاف ابریشمی-الکتروریسی شده
الیاف الکتروریسی شده دارای کاربردهای مختلفی از جمله غشاء­های دارای چند عملکرد، فیلترها، تقویت‌کننده‌های کامپوزیتی و ... هستند که از میان کاربردهای مختلف تهیه داربست برای دارورسانی و مهندسی بافت به­دلیل توانایی تقلید ماتریکس خارج سلولی[19] به یکی از زمینه­های جذاب الکتروریسی تبدیل شده است (4). الیاف ابریشم به­دلیل خواص خوبی مانند جرم ویژه کم، استحکام زیاد، مقاومت گرمایی زیاد تا حدود 250 درجه سانتی­گراد و زیست­سازگاری با بدن موجود زنده، نظر پژوهشگران را در زمینه الیاف و پزشکی به خود جلب کرده است (31). به­کارگیری نانوالیاف در سامانه­های رهایش دارو به­دلیل نسبت زیاد سطح به حجم و پیشرفت­های حاصل در به‌کارگیری آن­ها به­عنوان داربستی برای رشد سلول­ها و ترمیم زخم مورد توجه پژوهشگران است (25). از میان روش­های متفاوت تهیه نانوالیاف، روش الکتروریسی انعطاف‌پذیری زیادی در انتخاب مواد برای کاربردهای رهایش دارو در اختیار می­گذارد، به‌طوری‌که هم مواد زیست‌تخریب‌پذیر و هم مواد تخریب­ناپذیر برای رهایش کنترل شده استفاده می­شوند. قطر الیاف الکتروریسی شده توسط خصوصیت­های محلول (ویسکوزیته، هدایت، دما و ..)، فاصله بین نوک سرنگ و صفحه جمع آوری می­تواند تغییر کند (42). امروزه همه نوع دارو از قبیل آنتی­بیوتیک­ها، عوامل ضد سرطان، پروتئین­ها می­توانند در داخل داربست­های الکتروریسی شده جای داده شوند. مزیت اصلی حامل­های لیفی رهایش موضعی کنترل شده داروها است.
Text Box: جدول ۱: خواص ساختمانی پروتئین‌های سریسین و فیبروئین.
الیاف ابریشم	سریسین ابریشم 28-19 %	فیبروئین ابریشم 81-72 %
نوع پروتئین	پروتئین چسب مانند	گلیکوپروتئین P25	فیبروئین سبک	فیبروئین سنگین
وزن‌مولکولی (KDa)	300-10	25	27	391
قطبیت 	آب‌دوست	آب‌گریز		
ساختار	ساختار غیربلورین یا آمورف	ابریشم I (مارپیچ‌های تصادفی و ساختار نامنظم)
		ابریشم II (ساختار بلورین)
وظیفه	چسباندن دو رشته فیبروئین به یکدیگر	پروتئین ساختمانی لیف
	پروتئین پوشش دهنده	فیلامنت پروتئینی مرکزی
 
جدول ۲: برخی مطالعه­های انجام شده بر روی ساختارهای مختلف فیبروئین ابریشم
فرمولاسیون پروتئین/داور جزء اضافه شده به فیبروئین نوع مطالعه مرجع
اسفنج سه بعدی BMP-2A β-TCPB درون­تن (49)
- TiO2 nanoparticls برون­تن (19)
Curcumin - برون­تن (21)
Gentamicin Gelatin برون­تن (22)
فیلم Diltiazem, tetrahydrozoline, ciprofloxacin, tetracycline - برون­تن (17)
inulin Gelatin برون­تن (32)
الیاف HPLC PEO برون­تن (43)
Curcumin, doxorubicin SF nanospheres برون­تن (29)
هیدروژل - Nanohydroxyapatite برون­تن (46)
Risperidone - برون­تن (7)
Curcumin - برون­تن (20)
میکروذره­ها BMP-2
 
- برون­تن/ درون­تن (2)
BMP-2, IGF-ID - برون­تن (50)
نانوذره­ها quercetin - برون­تن (30)
Curcumin - برون­تن (34)
Paclitaxel, doxorubicin - برون­تن (53)
 
 
A Bone morphogenetic protein-2
B β-tricalcium phosphate
C Human platelet lysate
D Insulin-like growth factor I
 

هیدروژل فیبروئین ابریشم
یک هیدروژل، شبکه­ای از پلی­مرهای آب­دوست است که می­تواند در آب متورم شده و مقدار زیادی آب را با ساختار حفظ شده، در خود نگه دارد. هیدروژل­ها در زمینه دارورسانی، توجه بسیاری را به خود جلب کرده­اند (27). به‌طورکلی، فاکتورهای بسیاری مانند کراس­لینک شدن، اندازه تخلخل، تخریب­پذیری، آب­گریزی، شارژ و غلظت پلی­مر بر روی نرخ رهایش مولکول­های مختلف دارویی از هیدروژل تأثیر می­گذارند (35). فیبروئین ابریشم یک پلی­مر طبیعی با نواحی آب­دوست و آب­گریز است که قابلیت تشکیل هیدروژل را دارد. هیدروژل فیبروئین می­تواند به­صورت سیستم­های دارورسانی قابل تزریق یا غیرقابل تزریق برای رساندن فاکتورهای رشد و حتی سلول‌های بنیادی مورد استفاده قرار بگیرد. با توجه­به این واقعیت که فرآیند ژل شدن فیبروئین ابریشم، افزایش میزان صفحه­های β را القاء می­کند، بنابراین نیاز به­دست‌کاری هیدروژل­های فیبروئین ابریشم با حلال­ها، برای ایجاد خاصیت غیرقابل حل شدن در آب، وجود ندارد. روش­های مختلفی برای ایجاد هیدروژل ابریشم وجود دارد. از آنجایی­که pH ایزوالکتریک فیبروئین ابریشم حدود 2/4 است، هیدروژل­های فیبروئین ابریشم به­راحتی با کاهش pH محلول فیبروئین به 4 در حضور دارو با استفاده از محلول اسیدی، تهیه می­شوند. این شرایط اسیدی می­تواند برای بعضی از داروها مفید و برای بعضی دیگر مضر باشد. مخلوط کردن محلول فیبروئین ابریشم با پلی­اتیلن­اکساید[20] یا پلاکسومر[21] باعث القای ژل شدن به­وسیله افزایش میزان صفحه­های بتا در pH حدود 7 به­دلیل دهیدراته کردن محلول فیبروئین ابریشم می­شود که می­تواند برای ساخت هیدروژل حاوی داروهای حساس به pH پایین، مفید باشد. از دیگر روش­های القای هیدروژل می­توان به افزایش Ca2+ و استفاده از التراسونیک اشاره کرد. خصوصیت مکانیکی ضعیف، محدودیت مهم استفاده از هیدروژل­ها در کاربردهای پزشکی است (52،31،25).
میکروذره­های فیبروئین ابریشم
حامل­های میکروذره­ای فیبروئین ابریشم نیز به­عنوان حامل­های درمانی کاربرد دارند. استفاده از میکروذره­های فیبروئین ابریشم از مزیت­های زیادی از جمله جلوگیری از تخریب و شکست دارو، کنترل کردن نرخ رهایش دارو و پتانسیل زیاد برای رهایش داروی هدفمند، در مقایسه با ساختارهای دیگر برخوردار است (26). علی­رغم خصوصیت­های فراوان برای استفاده از میکروذره­ها به­عنوان حامل­های دارویی، فرآیند آماده سازی سخت مانند عامل­های کراس­لینک کننده یا استفاده از دمای بالا، باعث ایجاد محدودیت در استفاده از آن‌ها شده است. به­همین دلیل، پروتکل فرمولاسیون میکروذره­ها برای حفظ داروی فعال، نیاز به بهینه­سازی دارد. علی­رغم مزیت­های گفته شده برای سیستم­های رهایش دارو بر پایه میکروذره­های فیبروئین ابریشم، این محدودیت­ها منجر به توسعه سیستم­های نانوذره­ای شد.
نانوذره­های فیبروئین ابریشم
نانوذره­های زیست‌تخریب‌پذیر بر پایه پلی­مرهای زیست­سازگار از اهمیت بسزایی برخوردار بوده­اند. از مزایای نانوذره­های زیست­تخریب­پذیر می­توان به­سهولت استفاده از آن­ها در جهت تحریک سیستم ایمنی، امکان بارگذاری هم‌زمان داروهای متنوع بر روی آن­ها اشاره کرد (47). به­علاوه، نانوذره­ها با جلوگیری از تخریب دارو و افرایش پایداری بیولوژیکی منجر به افزایش فراهمی زیستی دارو، افزایش جذب بافتی و نفوذ سلولی در نتیجه کاهش هزینه بیمار و ریسک سمیت می‌شوند (24). پلی­مرهای طبیعی زیست سازگار و زیست‌تخریب‌پذیر در محدوده نانو می­توانند برای مدت طولانی بدون ایجاد سمیت در بدن باقی بمانند (48).
در میان پلی­مرهای طبیعی کاربرد نانوذره­های فیبروئین ابریشم، به­خاطر مزیت­هایی مانند زیست­سازگاری، تخریب کنترل­شده، شکل و اندازه ذره­ها قابل کنترل، شرایط ملایم بارگذاری دارو ، ظرفیت اتصال بالا برای داروهای مختلف و رهایش داروی پیوسته و کنترل شده، گسترش پیدا کرده­اند. اندازه کوچک نانوذره­های فیبروئین ابریشم باعث نفوذ آن­ها از میان مویرگ­های کوچک می­شود که این باعث افزایش جذب سلولی داروهای انکپسوله شده و یا مولکول­های درمانی می­شود(33). یکی از اصلی­ترین مزایای استفاده از فیبروئین ابریشم به­عنوان حامل دارویی، انجام فرآیندهای آبی برای بارگذاری داروهای حساس مانند پروتئین­ها و نوکلئوئیک­اسیدهای درمانی است که باعث ایجاد مقاومت­های خوب برای حل شدن و جلوگیری از تخریب­های آنزیمی و گرمایی ناخواسته می­شود (35). این فرآیند توسط انتقال ترکیبی شکل آلفا هلیکسی، به صفحه­های خیلی کریستالی بتا، از طریق کشش مکانیکی، اولتراسونیک، حلال و .. انجام می­شود. انجام این فرآیند از انجام هرگونه فرایند سخت و دشوار جلوگیری می­کند و ابریشم را به­عنوان سیستمی برای کاربردهای رهایش دارو آماده سازی می­کند (25). روش­های مختلفی از جمله روش حلال- ضد حلال[22]، روش­ خرد کردن مکانیکی[23]، پاشش الکتریکی[24] ، تکنولوژی مایع فوق بحرانی[25] و میکروامولسیون برای آماده سازی نانوذره­های ابریشم وجود دارد (57).
بنابراین روش رایج و آسان برای الحاق دارو به نانوذره­های فیبروئین ابریشم حل و یا مخلوط کردن دارو در محلول فیبروئین قبل از انجام فرآیند ساخت نانوذره­ها، است. یکی از چالش­های این روش اطمینان از عدم تأثیر منفی فرآیند ساخت نانوذره­ها بر روی فعالیت بیولوژیکی و یکنواختی دارو است. نانوذره­های ابریشم می­توانند برای رهایش مولکول­های کوچک (داروهای ضد سرطان)، پروتئین­ها، فاکتورهای رشد، داروهای ژنی و .. استفاده شوند.
یکی دیگر از مزایای نانوذره­های ابریشم سطح فعال آن­ها است، همان­طور که اشاره شد، پروتئین ابریشم شامل رنج وسیعی از آمینواسیدها با گروه­های فعال شامل آمین، الکل، فنول، گروه­های کربوکسیل و تیول است که اتصال که اجازه اصلاح و تغییر سطح نانوذره­های پروتئینی برای پاسخ‌های بیولوژیکی (افزایش فراهمی زیستی و یا دارورسانی هدفمند) و هم­چنین اتصال دارو به سطح نانو ذره را فراهم می­نماید بنابراین نانوذره­های فیبروئین توانایی اتصال و رسانش مقادیر قابل توجه دارو با مکانسیم­ها مختلف مانند برهم­کنش­های الکترواستاتیک، برهم­کنش­های آب­گریز و اتصال کووالانسی را دارند (57). نانوذره­های ابریشم با بار منفی (mv 26- تا 24-) با داروهای مختلف با شارژ مثبت پیوند الکترواستاتیکی قوی برقرار می­کنند. این برهم­کنش­های الکترواستاتیکی قوی، رهایش اولیه خاصی را برای نانوذره­های فیبروئینی ایجاد می­کنند (38،35،16،15).
نتیجه­گیری
فیبروئین ابریشم، یک پلی­مر طبیعی دارای مجوز سازمان غذا و داروی ایالات متحده آمریکا است که به­واسطه ویژگی­هایی مانند زیست سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، خواص مکانیکی مطلوب، گروه‌های عاملی بسیار، فرآیندپذیری آسان و نیز قابلیت تشکیل اسفنج سه بعدی، فیلم، الیاف، هیدروژل، میکرو و نانوذره­ها به گزینه مناسبی نه تنها برای دارورسانی پروتئین­ها
 
[1] Food and drug administration
[2] Silk fibroin
[3] Toughness
[4] H- chain
[5] L- chain
[6] Bombyx mori
[7] Conformations
[8] Block copolymer
[9] Alanine (A)
[10] Glysine (G)
[11] Serine (S)
[12] Tyrosin (Y)
[13] Valine (V)
[14] Microenvironment
[15] Solvent Casting and Particulate Leaching
[16] Gas forming
[17] Freeze drying
[18] Water annealing
[19] Extracellular matrix (ECM)
[20] Poly(ethylene) oxide
[21] Poloxamer
[22] Desolvation
[23] Mechanical comminution
[24] Electrospraying
[25] Supercritical fluid technology
نوع مطالعه: مقاله تحقیقی | موضوع مقاله: سلولی و مولکولی
دریافت: 1397/12/25 | پذیرش: 1397/12/25 | انتشار: 1397/12/25

ارسال نظر درباره این مقاله : نام کاربری یا پست الکترونیک شما:
CAPTCHA

کلیه حقوق این وب سایت متعلق به مجله تازه های بیوتکنولوژی سلولی - مولکولی می باشد.

طراحی و برنامه نویسی : یکتاوب افزار شرق

© 2020 All Rights Reserved | New Cellular and Molecular Biotechnology Journal

Designed & Developed by : Yektaweb