Dieses sommerfreundliche Textil ist in der Medizin vielseitig einsetzbar!

Maulbeerseide bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im medizinischen Bereich. Sein natürlicher Ursprung, seine Biokompatibilität und seine guten physikalischen Eigenschaften machen es zur idealen Wahl für verschiedene medizinische und biotechnologische Anwendungen.

Geschrieben von | MEIN

Das Wort „Seide“ wird im Englischen als Seide übersetzt. Tatsächlich bezieht sich dieses Wort auf das Proteinpolymer, das von verschiedenen Insektenlarven (wie Seidenspinnern, Fliegen, Skorpionen, Spinnen und Milben) produziert wird und aus dem die Kokons gebildet werden. Im Alltag bezieht sich glatte und schöne Seide meist auf Textilien aus Maulbeerseide, die vom Seidenspinner (Bombyx mori) produziert wird[1]**. Seidenraupen wurden vom Menschen domestiziert und werden seit Tausenden von Jahren gezüchtet. Maulbeerseide nimmt in der Seidenraupenzucht eine dominierende Stellung ein und der Großteil der auf dem Markt erhältlichen Naturseide gehört diesem Typ an. **Darüber hinaus liefern uns auch wildlebende Seidenraupen den Rohstoff für Seide. Zu den häufigen Wildarten gehören Ellis-Seide (Philosamia ricini/Samia ricini), Muga-Seide (Anthrraea asana/assamensis) und Dusal-Seide (Antheraea mylitta), die sich nicht von Maulbeerbäumen ernähren [2].

Schöne Seide galt schon immer als wunderschöner Stoff, doch Maulbeerseide kann für viel mehr verwendet werden. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler viele medizinische Verwendungsmöglichkeiten für Maulbeerseide entdeckt und ihre herausragenden physikalischen und biologischen Eigenschaften verändern die Biotechnik.

Aufbau und Eigenschaften der Maulbeerseide

Maulbeerseide besteht hauptsächlich aus Fibroin und Sericin. Im Inneren der Seide befindet sich Seidenfibroin, das etwa 70 % des Seidengewichts ausmacht und einen Durchmesser von etwa 10–25 μm hat. Seidenfibroin besteht aus einer leichten Aminosäurekette (ca. 26 kDa, Da ist die Molekulargewichtseinheit) und einer schweren Kette (ca. 390 kDa) im Verhältnis 1:1, und die beiden sind durch eine Disulfidbindung verbunden. Das Seidenfibroin ist von Sericin umhüllt, das 30 % des Gesamtgewichts (20–310 kDa) ausmacht [3]. Darüber hinaus enthält Maulbeerseide auch etwa 0,8–1 % Fett/Wachs und 1–1,4 % Pigment/Asche. Seidenfibroin kann durch Kochen von Seidenraupenkokons in einer alkalischen Lösung aus Sericin extrahiert und gereinigt werden[4].

Wenn wir über die hervorragenden biologischen und mechanischen Eigenschaften von Maulbeerseide sprechen, diskutieren wir eigentlich über die Eigenschaften von Seidenfibroin. Seidenfibroin hat eine einzigartige β-gefaltete Struktur, die es den Wasserstoffbrücken des Proteins ermöglicht, einen dichten Stapel zwischen antiparallelen Ketten zu bilden; Die größeren hydrophoben Bereiche und die kleineren hydrophilen Bereiche sind versetzt zueinander angeordnet, was die Seidenbildung sowie die Festigkeit und Elastizität der Seidenfasern fördert. Aufgrund dieser einzigartigen β-gefalteten Struktur gilt Bombyx mori-Seide als eines der stärksten Biomaterialien (mit einer Druckfestigkeit von über 1 GPa) [5].

Beim Tissue Engineering zur Konstruktion menschlicher Organgewebe in vitro müssen die verwendeten Materialien der Härte des Zielgewebes entsprechen. Eine allgemein übliche Methode zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit von Biopolymeren ist die „Vernetzung“, also die Vernetzung zwischen verschiedenen Makromolekülen oder die Einführung makromolekularer Materialien und Gewebe. Die darin enthaltenen makromolekularen Verbindungen können jedoch nachteilige Folgen wie Zytotoxizität und Immunreaktionen hervorrufen. Die β-Faltstruktur des Seidenfibroins ermöglicht eine gute mechanische Festigkeit ohne jeglichen Vernetzungsschritt[6] . Im eigentlichen Produktionsprozess können durch Anpassung des Gehalts an β-Faltstrukturen Seidenproteinmaterialien mit unterschiedlicher Morphologie und mechanischer Festigkeit gewonnen werden, wodurch eine stabile und unterstützende Umgebung für Zellanhaftung, -ausbreitung und -wachstum geschaffen wird [3]. Daher hat Maulbeerseide großes Potenzial für medizinische Anwendungen.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Struktur von Seidenraupenkokons | Quelle: DOI 10.31031/RDMS.2019.10.000740

Biomedizinische Anwendungen von Seide

1. Chirurgisches Nahtmaterial

Die am weitesten verbreitete und älteste Anwendung von Maulbeerseide in der Medizin ist chirurgisches Nahtmaterial. Es gibt zwei gängige Formen: saugfähig und nicht saugfähig.

Um 200 v. Chr. verbreiteten Hippokrates und seine Schüler nach und nach die chirurgische Medizin, nachdem sie das medizinische Denken und die medizinische Lehre wiederbelebt hatten. Davon beeinflusst verfasste der römische Medizinjournalist und Lehrer Aurelius Cornelius Celsus um das Jahr 50 n. Chr. sein Werk De Re Medicina, in dem er die Verwendung geflochtener Nähte beschrieb. Galen beschrieb zur gleichen Zeit erstmals die Verwendung von Katgut als Nahtmaterial zum Nähen durchtrennter Sehnen bei Gladiatoren und schlug vor, dass man, wenn möglich, versuchen sollte, Wunden mit Seidenfäden zu vernähen, nachdem man die Wunde mit einer großen Menge verdünnten Weins gespült hatte. Obwohl er diese Theorie nicht in die Praxis umsetzte, beeinflusste seine Theorie, Maulbeerseide als Nahtmaterial zu verwenden, die spätere Erforschung von Nähten. Es gibt Aufzeichnungen darüber, dass Chirurgen zwischen dem 16. und 18. Jahrhundert Seide zum Nähen von Blutgefäßen verwendeten. Im Jahr 1986 kamen in Karbolsäure getränkte, sterile, nicht resorbierbare Seidennähte in breitem Umfang zum Einsatz [7].

Mit der Erforschung der Seidenstruktur durch moderne Wissenschaftler wurden resorbierbare Nähte auf Seidenfibroinbasis entwickelt und populär gemacht. Resorbierbare Nähte lösen keine Immunabstoßungsreaktion des Körpers aus und werden allmählich vom Körper abgebaut und absorbiert, ohne dass sie nach der Operation entfernt werden müssen. Sie werden häufig für innere Nähte verwendet, beispielsweise bei der Gewebereparatur oder in der Viszeralchirurgie.

2. Wundverband

Eine weitere wichtige Anwendung von Seidenfibroin ist die Wundauflage. Die verschiedenen Formen synthetischer Verbände unterstützen die Regeneration und Heilung der Haut. Die Wundheilung ist ein komplexer Prozess, an dem zahlreiche Zell-Matrix-Interaktionen beteiligt sind. Im Anfangsstadium der Wundheilung kommt es zu einer Entzündungsreaktion, die bis zu zwei Tage andauern kann. Während dieser Phase werden die Gerinnungskaskade, Entzündungsprozesse und das Immunsystem aktiviert, um weiteren Blut- und Flüssigkeitsverlust zu verhindern. Die zweite Phase ist die Bildung von neuem Gewebe, die Prozesse wie Kollagen-/Matrixablagerung, Epithelregeneration, Angiogenese und Wundkontraktion umfasst[8].

Ein idealer Wundverband sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: 1) den Wundbereich feucht halten und gleichzeitig ein übermäßiges Austrocknen und Aufsaugen von Wundexsudat vermeiden; 2) eine gute Atmungsaktivität aufweisen; 3) in der Lage sein, bakterielle Infektionen zu verhindern; und 4) gute wasserdichte Eigenschaften aufweisen[9]. Um die oben genannten Eigenschaften zu erfüllen, wird Seidenfibroin häufig zu Wundauflagen in verschiedenen Formen wie Filmen und Hydrogelen verarbeitet. Gängige Hydrogelverbände bestehen in der Regel aus natürlich vorkommenden makromolekularen Polymeren wie Chitosan, Alginat, Kollagen und Hyaluronsäure [10] . Forscher haben herausgefunden, dass Hydrogelverbände aus Seidenfibroin nicht nur die oben genannten Bedingungen erfüllen, sondern auch Zellwachstum, Migration, Proliferation und die Produktion extrazellulärer Matrix induzieren können [11].

Darüber hinaus kann das Mischen von Seidenfibroin mit anderen natürlichen Hydrogelverbänden auch deren mechanische Festigkeit verbessern[12] . Filme und poröse Schwämme sind zwei weitere gängige Verbandsformen, die über eine große Oberfläche und ein Netzwerk miteinander verbundener Poren verfügen, die das Einwachsen und Anhaften von Gewebezellen erleichtern [3] . Experimentatoren haben herausgefunden, dass Seidenfibroinschwämme, die mit Kollagen vermischt sind, als Hautersatz verwendet werden können [13].

Der Grund, warum Seidenfibroin die Wundheilung beschleunigen kann, liegt darin, dass es bei Kontakt mit der Wunde verschiedene Signalwege der Wundheilungszellen aktiviert. Erstens fördert Seidenfibroin über den NF-κB-Signalweg die Expression gängiger Proteine ​​im Stadium der Zellproliferation, wie etwa des epidermalen Wachstumsfaktors (EGF), Fibronektin, des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF), IL-10 (Interleukin 10), IL-1β, des transformierenden Wachstumsfaktors (TGF) und von Zellzyklusproteinen, und fördert dadurch Zellwachstum und -proliferation sowie die Auflösung von Entzündungen. Zweitens aktiviert Seidenfibroin den Signalweg der mitogenaktivierten Proteinkinase (MAPK), der eine Schlüsselrolle bei der Wundheilung spielt. Seidenfibroin kann außerdem eine Reihe von zellulären Anti-Apoptose-Signalwegen beeinflussen, das Zellüberleben fördern und so die Wundheilung unterstützen[11, 14].

Abbildung 2. Häufige Strukturen von Seidenfibroin: A) Seidenraupenkokon B) Schwammstruktur C) kissenartige Makrostruktur D) 3D-gedruckte poröse Struktur E) kissenartige Mikrostruktur F) filmartig G) Hydrogel. Bildquelle: Referenz [15]

3. Arzneimittelverabreichungsvehikel

Trägerstoffe für die Arzneimittelverabreichung waren in den letzten Jahren ein heiß diskutiertes Forschungsgebiet, und auch Seidenfibroin hat in diesem Bereich seinen Platz. Im Vergleich zu den üblichen Nanopartikel-Abgabesystemen auf dem Markt ist der größte Vorteil von Seidenfibroin neben der bereits erwähnten guten biologischen Abbaubarkeit seine geringe Immunogenität und das Fehlen von Immunabstoßungsreaktionen im Körper. Aufgrund der milden Verarbeitungsbedingungen eignet sich Seidenfibroin besser zur Einkapselung von Arzneimitteln, die empfindlich auf die Verarbeitungsbedingungen reagieren und leicht ihre Wirksamkeit verlieren.

Arzneimittelträger aus Seidenfibroin können zu Strukturen wie Hydrogelen, Filmen, Mikro- und Nanopartikeln, Nanofasern und porösen Schwämmen verarbeitet werden, die für verschiedene Arzneimittelverabreichungswege und therapeutische Anforderungen geeignet sind und ein breiteres Anwendungspotenzial haben[16] . Durch Optimierung des Designs der Seidenproteinstruktur kann die Freisetzungsrate des Arzneimittels verlangsamt und die Trägerstabilität verbessert werden, wodurch die Zirkulationszeit und Wirkung im Blut verlängert und das Ziel einer anhaltenden Arzneimittelabgabe erreicht wird [17].

Derzeit werden Mikropartikel und Nanopartikel verwendet, um verschiedene Arten von Medikamenten (wie Curcumin, Doxorubicin und Ibuprofen) zeit- oder ortsspezifisch an verschiedene Zelltypen zu liefern. Seidenfibroinfilme wurden zur kontrollierten Freisetzung von Arzneimitteln (z. B. Dextran, Epirubicin) und Biologika (z. B. IgG- und HIV-Hemmern) verwendet. Darüber hinaus wurden sie zur Stabilisierung biologischer Präparate wie Meerrettichperoxidase (HRP), Glucoseoxidase, Impfstoffen und monoklonalen Antikörpern verwendet, um deren Haltbarkeit zu verlängern [16].

Forscher versuchen auch, Seide als Impfstoffträger zu verwenden. Das von der in Boston ansässigen Firma Vaxess entwickelte Seidenprotein-Mikronadelpflaster für einen Grippeimpfstoff hat die klinischen Tests der Phase I abgeschlossen. Gleichzeitig werden auch Seidenprotein-Impfstoffträger für das neue Coronavirus entwickelt und erforscht. Obwohl bei der Erforschung von Seidenfibroin als Träger für Impfstoffe große Fortschritte erzielt wurden, befindet sich dieses Verfahren noch immer in der Erkundungs- und Entwicklungsphase. Es mangelt noch immer an ausreichender Forschung hinsichtlich der Zielausrichtung und Spezifität und bis zur Markteinführung des eigentlichen Produkts ist es noch ein weiter Weg.

4. Reparatur des Gewebegerüsts

Das Ziel des modernen Tissue Engineering ist die Regeneration und der Ersatz beschädigter Gewebe und Organe. Das ideale Material muss nicht nur Gewebe oder Organe erfolgreich ersetzen, sondern auch Halt bieten. Dies bedeutet, dass es sich vollständig in das umliegende Gewebe integrieren und weder eine Immunreaktion auslösen noch Nebenwirkungen verursachen sollte. Scaffolds aus Seidenfibroin erfüllen die beiden oben genannten Anforderungen sehr gut. Sie bieten Unterstützung und Schutz für Zellgewebe, ohne eine Immunreaktion auszulösen, fördern die Ablagerung und das Wachstum verwandter Zellen auf dem Gerüst und stellen so geschädigtes Gewebe wieder her[18].

Seidenfibroin-Gerüste werden umfassend für die Verwendung in Bändern, Sehnen und Knochengewebe erforscht. Knochen sind ein spezielles Bindegewebe und Kollagen und Hyaluronsäure sind die Hauptbestandteile des Knochengewebes. Ein ideales Knochengewebegerüst sollte die Festigkeit des Knochengewebes gewährleisten und gleichzeitig die Ablagerung anorganischer Komponenten auf dem Gerüst ermöglichen, um die Härte und Festigkeit des Knochens zu erhöhen. So wie wir beim Weben Seidenfäden verwenden, um die Festigkeit und Haltbarkeit von Stoffen zu verbessern, können Seidenfibroin-Gerüste eine stabile, feste und geeignete Wachstumsumgebung für Knochenzellen bieten und so die Regeneration und Reparatur von Knochengewebe fördern. Experimente haben gezeigt, dass Seidenfibroin-Gerüste die osteogene Differenzierung menschlicher mesenchymaler Stammzellen fördern können. Darüber hinaus haben Forscher herausgefunden, dass die Kombination von Seidenfibroin-Gerüsten mit anderen Biomaterialien (wie Kollagen oder anorganischen Calciumphosphat-Komponenten) die Expression von knochenmorphogenetischen Proteinen steigern und somit die osteogenen Eigenschaften verbessern kann[19].

Bänder- und Sehnengewebe bestehen aus Kollagen und Faserzellen. Es handelt sich um dichtes, faseriges Bindegewebe, dem es an natürlichen Regenerationsfähigkeiten mangelt. Aufgrund der hohen Zähigkeit und Elastizität von Bändern und Sehnen sind Seidenfibroin-Gerüste das bevorzugte Biopolymer für die Gewebezüchtung von Bändern und Sehnen[20] . Die Forscher erstellten diese Gerüste, indem sie Seidenfibroin mit natürlichen Biomaterialien wie Kollagen Typ I, Hyaluronsäure und Gelatine sowie synthetischen Materialien wie Polyelektrolyten und PLGA mischten. Im Jahr 2002 wurde die erste Seidenfibroinmatrix erfolgreich bei der Konstruktion des vorderen Kreuzbandes (ACL) eingesetzt [21].

Darüber hinaus kann Seidenfibroin auch als ideales Material zur Reparatur einer Trommelfellperforation verwendet werden. Das Trommelfell ist eine transparente Struktur zwischen dem Außenohr und dem Mittelohr, die Schall empfängt und gleichzeitig das Mittelohr schützt . [22] Wenn sich das Trommelfell nicht innerhalb von 3 Monaten regeneriert, kann es zu einer chronischen Perforation kommen, die zu Hörverlust und wiederkehrenden Infektionen führt. Das Trommelfell besteht hauptsächlich aus Keratinozyten, Fibroblasten und Kollagen (Typ II und Typ III). Das Gerüst aus Seidenfibroin ermöglicht das Wachstum und die Vermehrung menschlicher Trommelfellkeratinozyten und beschleunigt gleichzeitig die Regeneration des Trommelfells, wodurch die Wiederherstellung des Gehörs deutlich beschleunigt wird. Experimente zeigten, dass sich bei der Transplantation dünner Filme aus Seidenfibroin in die Ohren von Ratten und Meerschweinchen die Perforationen in den Ohren im Vergleich zur Kontrollgruppe nach 7 Tagen geschlossen hatten. Die Forscher stellten außerdem fest, dass Seidenfibroinfilme über gute akustische Übertragungsfähigkeiten und eine ausgezeichnete Knorpelzugfestigkeit verfügen, was darauf hindeutet, dass diese Membranen ein großes Potenzial für die Regeneration chronischer Trommelfellperforationen in vivo haben [21].

Zusammenfassung

Neben den bereits erwähnten wichtigen medizintechnischen Anwendungen können aus Seidenfibroin auch verschiedene Arten von Sensoren hergestellt werden. Durch die Durchführung spezifischer optischer Modifikationen an Seidenfibroin können beispielsweise Änderungen der Lichtabsorption, Fluoreszenz oder des Brechungsindex für Anwendungen in der Biosensorik, Umweltüberwachung und medizinischen Diagnostik erkannt werden. Durch die Verknüpfung von Seidenfibroin mit spezifischen Bioerkennungsmolekülen wie Antikörpern, Oligonukleotiden oder Enzymen kann eine spezifische Erkennung biologischer Moleküle oder Krankheitserreger erreicht werden, was eine wichtige Rolle bei der Krankheitsdiagnose, der Überwachung der Lebensmittelsicherheit und der Bioabwehr spielt[23].

Durch die eingehende Untersuchung der Struktur und Eigenschaften von Seidenfibroin werden künftig dessen Verträglichkeit mit Organismen und seine potenziellen Anwendungen im Tissue Engineering und der regenerativen Medizin weiter erforscht. Seidengerüste können für komplexere Gewebereparaturen entwickelt werden, etwa für die Regeneration von Organen wie Herz, Leber und Lunge. Forscher werden Seidenfibroin-Arzneimittelträger mit gezielten und kontrollierten Freisetzungsfunktionen zur Behandlung von Krebs, Entzündungs- und Infektionskrankheiten usw. entwickeln.

Ich bin davon überzeugt, dass es in Zukunft mehr Arten und Formen von Seidenproteinprodukten geben wird, die das Leben der Menschen angenehmer machen werden. Maulbeerseide wird eine wichtige Rolle bei der Förderung der menschlichen Gesundheit und Lebensqualität spielen.

Verweise

[1] Nguyen, TP, et al., Biomaterialien auf Seidenfibroinbasis für biomedizinische Anwendungen: Eine Übersicht. Polymers (Basel), 2019. 11(12).

[2] Holland, C., et al., Die biomedizinische Verwendung von Seide: Vergangenheit, Gegenwart, Zukunft. Advanced Healthcare Materials, 2019. 8(1): p. 1800465.

[3] Qi, Y., et al., Eine Übersicht über den Strukturaufbau von Seidenfibroin-Biomaterialien von Einzelstrukturen bis hin zu mehrstufigen Strukturen. Int J Mol Sci, 2017. 18(3).

[4] Rockwood, DN, et al., Materialherstellung aus Bombyx mori-Seidenfibroin. Nat Protoc, 2011. 6(10): p. 1612-31.

[5] Cheng, Y., et al., Über die Stärke von β-Faltblatt-Kristalliten von Bombyx mori-Seidenfibroin. Zeitschrift der Royal Society Interface, 2014. 11(96): p. 20140305.

[6] Lee, J., et al., Entwicklung von nicht vernetzenden thermosensitiven Biotinten auf Seidenfibroinbasis für den 3D-Biodruck. Polymere, 2023. 15(17): p. 3567.

[7] Muffly, TM, AP Tizzano und MD Walters, Die Geschichte und Entwicklung von Nähten in der Beckenchirurgie. JR Soc Med, 2011. 104(3): p. 107-12.

[8] Almadani, YH, et al., Wundheilung: Eine umfassende Übersicht. Semin Plast Surg, 2021. 35(3): p. 141-144.

[9] Dhivya, S., VV Padma und E. Santhini, Wundverbände – eine Übersicht. Biomedizin (Taipei), 2015. 5(4): p. 22.

[10] Nguyen, HM, et al., Biomedizinische Materialien für Wundauflagen: aktuelle Fortschritte und Anwendungen. RSC Adv, 2023. 13(8): p. 5509-5528.

[11] Mazurek, Ł., et al., Seidenfibroin-Biomaterialien und ihre positive Rolle bei der Wundheilung der Haut. Biomoleküle, 2022. 12(12).

[12] Zhang, H., et al., Seidenfibroin-Hydrogele für biomedizinische Anwendungen. Smart Medicine, 2022. 1(1): p. e20220011.

[13] Naomi, R., J. Ratanavaraporn und MB Fauzi, Umfassende Überprüfung von Hybridkollagen und Seidenfibroin für die Heilung kutaner Wunden. Materials (Basel), 2020. 13(14).

[14] Park, YR, et al., NF-κB-Signalisierung ist der Schlüssel im Wundheilungsprozess von Seidenfibroin. Acta Biomaterialia, 2018. 67: p. 183-195.

[15] Belda Marín, C., et al., Seidenpolymere und Nanopartikel: Eine leistungsstarke Kombination für die Entwicklung vielseitiger Biomaterialien. Frontiers in Chemistry, 2020. 8.

[16] Wani, SUD, et al., Seidenfibroin als effizientes Biomaterial für die Arzneimittelverabreichung, Gentherapie und Wundheilung. Int J Mol Sci, 2022. 23(22).

[17] Tiwari, G., et al., Drug Delivery Systems: Eine aktualisierte Übersicht. Int J Pharm Investig, 2012. 2(1): p. 2-11.

[18] Lee, EJ, FK Kasper und AG Mikos, Biomaterialien für das Tissue Engineering. Ann Biomed Eng, 2014. 42(2): p. 323-37.

[19] Li, M., et al., Eine umfassende Übersicht über Seidenfibroin als überzeugendes Biomaterial für die Knochengewebetechnik. International Journal of Molecular Sciences, 2023. 24(3): p. 2660.

[20] Tang, Y., et al., Funktionelle Biomaterialien für die Reparatur und Regeneration von Sehnen/Bändern. Regen Biomater, 2022. 9: S. rbac062.

[21] Sun, W., et al., Seidenfibroin als funktionelles Biomaterial für das Tissue Engineering. International Journal of Molecular Sciences, 2021. 22(3): p. 1499.

[22] Sainsbury, E., et al., Strategien der Gewebetechnik und regenerativen Medizin zur Reparatur von Trommelfellperforationen. Biomater Biosyst, 2022. 6: S. 100046.

[23] Ru, M., et al., Jüngste Fortschritte bei seidenbasierten Biosensoren. Internationale Zeitschrift für biologische Makromoleküle, 2023. 224: S. 422-436.

Produziert von: Science Popularization China

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