Белки тутового шелкопряда

Semax и его аналоги. N-Acetyl-Semax и Semax-Amide
18.01.2020
Коронавирус и пептиды
28.01.2020

Серицин и фиброин. Применение в фармацевтике, медицине, косметология и пищевой промышленности

Тутовый шелкопряд (Bombyx mori) – бабочка из семейства шелкопрядовые (лат. Bombycoidea). Взрослая особь достигающее 6 см в длину с размахом крыльев до 6 см. В зависимости от породы, шелкопряд дает от одного до нескольких поколений за год. Бабочка тутового шелкопряда не способна к полету. Срок жизни бабочки не превышает 12 дней, в течении которых насекомое не потребляет пищи из-за неразвитой ротовой полости. В практическом плане, наиболее интересны гусеницы шелкопряда.

Пища гусеницы представляет собой свежие листья тутовника (шелковица, тютина). На стадии завивания коконов, гусеницы вырабатывают непрерывную шелковую нить со средней длиной 300–900 метров; для создания всего кокона может быть затрачено до 1500 м нити, а время, необходимое на его создание, может занимать более 4 суток. Вес такого кокона обычно не превышает 4 г. Большая часть коконов используется для получения шелка-сырца путем обработки паром при ~100 °С и последующим разматыванием на станках. Шелковая нить обладает ценными свойствами и находит применение не только в производстве одежды, но и в качестве шовного материала в хирургии, также применяют его для изготовления парашютов, оболочек различных аэростатов и т.д.

Ценным продуктом является не только шелковая нить, но и сама куколка, пустой кокон и даже экскременты шелкопряда. Так, экскременты тутового шелкопряда используются как в фармацевтической, так и в пищевой промышленности. В традиционной медицине фекалии шелкопряда использовались в качестве терапевтического средства в Китае, Корее и некоторых странах Восточной Азии для лечения инфекционных заболеваний, головной боли и боли в животе [1]. Химические составляющие экскрементов шелкопряда, о которых сообщалось –хлорофилл и производные хлорофилла, ксантофилл, каротиноиды и флавоноиды. Также в них содержатся высокоактивные компоненты, такие, как длинные жирные кислоты, 1-тритриаконтанол и два фитостерола – лупеол и β-ситостерин; последние обладают выраженной противовоспалительной активностью [1]. В настоящее время переработанные коконы нашли широкое применение в косметологии, как компонент антивозрастных масок и кремов, средств против морщин, увлажняющих кожу кремов [2-4]. Интересными представляются разработки спортивных напитков с использованием протеинового порошка куколок шелкопряда, обезжиренного путем экстракции сверхкритическим диоксидом углерода. Такой продукт способный снижать физическую усталость и обладает приятным особым вкусом куколки шелкопряда [5].

Зрелый шелкопряд строит свой кокон, извлекая густую жидкость из двух желез в головке гусеницы. Вязкая часть (известная как фиброин) затем покрывается другим слоем (известным как серицин, который обеспечивает склеивание фибрилл в процессе формирования кокона гусеницей), который вытекает из упомянутых желез. В результате этого процесса прядения шелковое волокно представляет собой смесь из серицина и фиброина. Серицин, также известный как «шелковая камедь», является второстепенным элементом шелкового волокна (составляющего около 20–30 % веса сырого шелка) и содержит ряд других компонентов, таких как воски, жиры и пигменты. Серицин представляет собой желтоватое, хрупкое и неэластичное вещество, которое обладает антибактериальными свойствами. Серицин является водорастворимым белком, обладает аморфной структура и может быть отделен от слоя фиброина с помощью экстракции при нагревании шёлка в воде, в данном случае называемой термином «горячий суповой раствор». Серицин уходит в водную фазу, образуя клейкую массу. Также он растворим в слабощелочном растворе. Условия проведения экстракции значительно варьируются – от 50 °С в течение 25 дней, до автоклавирования при 118 °С и давлении 2,5–3 атм в течение 3 часов [6, 7].

Наибольшее содержание серицина присутствует во внешнем слое кокона, тогда как наименьшее количество серицина присутствует во внутреннем слое кокона [8].

Серицин представляет собой богатый серином белок массой 119486 Да (CAS 474338-68-6). Для данного белка известны 3 изоформы, полученные альтернативным сплайсингом, но канонической является изоформа 1B [9]. Аминокислотная последовательность содержит 384 фрагмента серина, что составляет 32 % от всех входящих в состав белка аминокислот. Серин (2-амино-3-гидроксипропановая кислота; CAS 56-45-1) — заменимая аминокислота, входящая в состав белков, включая активные центров многих ферментов, является промежуточным продукт биосинтеза цистеина и глицина.

Серицин считается потенциальным аллергеном, поэтому шёлк для медицинских целей, как правило, очищают от серицина, поскольку он может вызвать аллергическую реакцию 1-го типа с увеличением иммуноглобулинов E [10]. Однако в настоящее время это дискуссионный вопрос.

Серицин при сульфировании проявляет антитромботический эффект [11]. Путем конденсации салициловой кислоты, формальдегида и серицина образуется сополимер, который в концентрации 0,01–1 мг/мл в крови проявляет антикоагулянтную, фибринолитическую и антиагрегационную активность в отношении тромбоцитов при их содержании 0,5 мг/мл [12]. Обнаружено, что серицин обладает ранозаживляющими свойствами и может быть использован в качестве материала для заживления ран при нанесении в виде пленки [13]. Серицин, благодаря своему химическому составу, имеет сродство к кератину и обладает адгезионным свойством. Шелковые нити, полученные из тутового шелкопряда, можно использовать для изготовления хирургических швов. Шелковые серициновые мембраны являются хорошими повязками, а пленка обладает достаточной гибкостью и прочностью на разрыв. Кроме того, его гибкость и влагопоглощающие свойства способствуют плавному излечению дефектов кожи и не вызывают шелушения кожи при регенерации и при отрыве от кожи [14]. Шелковый серицин обладает потенциалом применения при разработке контактных линз. Привитые полимеры с метилметакрилатом или стиролом также являются биосовместимыми [15].

Потребление пищи, содержащей серицин, помогает при запорах, подавляет развитие рака кишечника и ускоряет усвоение минералов. У крыс потребление серицина повышает усвоение цинка, железа, магния и кальция на 41, 41, 21 и 17 %, соответственно [16]. Пищевые добавки с 4 процентами серицина подавляют индуцированный запор у крыс из-за его низкой усвояемости и способности удерживать воду [17]. Серицин обладает противоопухолевой активностью [18].

Клинические испытания показали, что введение серицина в состав повязки для лечения ожогов и ран, проведенные на 30 пациентах в возрасте 18–60 лет, где его сравнивали с Bactigras®, сократило время заживления и снизило болевые ощущения. Также была показана безопасность применения серицина [19]. Детали проведения испытаний и концентрации серицина не указаны

Клинического исследование на 29 пациентов с 65 ожоговыми ранами, которые покрывали не менее 15 % общей площади поверхности тела, которых распределили случайным на контрольную группу (обработка кремом сульфадиазин серебро-цинк), и на исследуемую (обработка кремом сульфадиазином серебро-цинк с добавкой 8 % серицина) [20]. Результаты показали, что среднее время для достижения 70 % повторной эпителизации обожженной поверхности и полного заживления было значительно короче, примерно на 5–7 дней, чем в контрольной группе. Время полного заживления в контрольной группе составляло 29,28±9,27 дней, в то время как раны, обработанные с добавлением серицина, заживали приблизительно 22,42±6,33 дня [20]. Ни в одной ране не было обнаружено инфекции или тяжелой реакции.

Аналогичные клинические исследования фазы II проводилось на 32 и 29 пациентах с трансплантированной донорской кожей [21, 22]. Подробности не приведены.

Cерицин в комбинации с нарингином оказывает противовоспалительное действие на мононуклеарные клетки периферической крови человека (hPBMCs), взятые от пациентов с псориазом [23].

Фиброин – второй основной компонент шелка (составляет ~75 % от веса сырого шелка) [8]. Фиброин представляет собой нерастворимый в воде гетеродимерный гликопротеин, состоящий из двух эквимолярных белковых субъединиц массой ~370 (H-фиброин, от англ. heavy) и ~25 кДа (L-фиброин, от англ. light), ковалентно связанных дисульфидными связями. Первичная структура у H- и L-субъединиц одинакова и состоит из повторяющейся аминокислотной последовательности (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n (CAS 9007-76-5). Фиброиновая нить состоит из кристаллического и аморфного доменов. Аморфные домены характеризуются присутствием аминокислот с более объемными боковыми цепями, тогда как кристаллические домены характеризуются высоким процентным содержанием аланина, глицина и серина (12, 30 и 44 %, соответственно), которые содержат короткие боковые цепи, что позволяет реализовать плотную упаковку. Описаны β-форма листа (шелк II или β-шелк) и кристаллическая форма (шелк I) [6]. Известен также и шёлк III, который формируется преимущественно в растворах фиброинов на поверхности раздела фаз [24].

В целом, биологические свойства фиброина близки к свойствам серицина. Он также проявляет ранозаживляющую активность, является биоразлагаемым полимером, при этом обладая более высокой механической прочностью. Шелковый фиброин является мощным и передовым биоматериалом для регенерации как мягких, так и твердых тканей. Фиброиновые каркасы обладают превосходной механической прочностью, подходящей биологической активностью, эластичностью, разлагаемостью и настраиваемой химической структурой. Благодаря таким свойствам, возможно изготовление различных типов каркасов/матриц для регенерации и устранения дефектов тканей, включая хрящевые [25].

Фиброин является одним из видов биологических материалов, используемых для создания искусственной кожи и других медицинских целей [26].

Например, были разработаны пленки толщиной 10–100 мкм на основе фиброина для ускорения заживления ран и могли отслаиваться, не повреждая новообразованную кожу [27]. Было исследовано применение защитных мембран из фиброина для ран [28]. Фиброин считается подходящим материалом для инженерии скелетной ткани из-за его хорошей проницаемости для кислорода и паров воды и его минимальной воспалительной реакции in vivo [29, 30]. Также фиброин исследовали в качестве субстрата для культуры клеток животных вместо коллагена [31].

В базе ClinicalTrials содержится три клинических исследования фиброина. В одном из них изучали заживление ран на 29 пациентах [22]. В другом фиброин применили, как каркас для регенерации травмированных периферических нервов на 15 участниках 18­–60 лет (не завершено) [32]. Также исследовали применение фиброин в тканевой сетке для лечения паховой грыжи (144 участника, 18–70 лет) [33]. К сожалению, детали и результаты этих исследований не опубликованы.

Фиброин изучали как органический полимер для контролируемой доставки лекарств [34].

Серицин и фиброин находят все большее применение в медицине и косметической промышленности. Возможная судьба этих белков выглядит многообещающей. Обширные исследования показывают, что серицин и фиброин может придавать полезные и необычные свойства полимерным гелям, мембранам, пенам, волокнам и другим композитным материалам. Серицин может быть использован для производства криоконсервантов, антикоагулянтов и биосовместимых материалов. Фиброин очень перспективен в качестве основы матриц для регенерации тканей. Ввиду многочисленных полезных свойств обоих белков, требуется глубокая работа над дальнейшим исследованием их свойств и расширением сфер практического применения.

1.         Vimolmangkang, S., Somkhanngoen, C., Sukrong, S., Potential pharmaceutical uses of the isolated compounds from silkworm excreta. Chiang Mai Journal of Science 2014. 41(1): p. 97-104.

2.         Cosmeceuticals and Active Cosmetics. 3 ed. 2015, Boca Raton, U.S.: CRC Press Taylor & Francis Group. p. 437.

3.         Farage, M.A., Miller, K.W., Maibach, H.I., Textbook of aging skin. 2009: Springer Science & Business Media. p. 2179.

4.         Gorouhi, F., Maibach, H.I., Role of topical peptides in preventing or treating aged skin. International journal of cosmetic science, 2009. 31(5): p. 327-345. DOI: 10.1111/j.1468-2494.2009.00490.x.

5.         Chen, J., Zheng, M.-Z., Wang, H., Development of a sports beverage of silkworm pupa protein peptide. Food Science, 2009. 30: p. 318-320.

6.         Padamwar, M.N., Pawar, A.P., Silk sericin and its applications: A review. Journal of Scientific & Industrial Research, 2004. 63: p. 323-329.

7.         Kunz, R.I., Brancalhão, R.M.C., Ribeiro, L.d.F.C., Natali, M.R.M., Silkworm Sericin: Properties and Biomedical Applications. Biomed Res Int, 2016. 2016: p. 8175701-8175701. DOI: 10.1155/2016/8175701.

8.         Trevisan, A.A., Hart, M., Yuste, V., Hjoellund, A., Galle, D., Bergman, O. Cocoon silk: A natural architecture. 2012 2020-25-01]; Available from: http://www.senature.com/research/publications/cocoon-silk-a-natural-architecture.

9.         Identifier: P07856-1: the UniProt Knowledgebase (UniProtKB). 2020-01-22]; Available from: https://www.uniprot.org/uniprot/P07856#P07856-1.

10.       Zaoming, W., Codina, R., Fernández-Caldas, E., Lockey, R.F., Partial characterization of the silk allergens in mulberry silk extract. J Investig Allergol Clin Immunol, 1996. 6(4): p. 237-241.

11.       1997.

12.       Khudaiberdiev, M.A., Synthesis of a copolymer possessing an anticoagulative action. Chemistry of natural compounds, 1997. 33(5): p. 603-604.

13.       CN 1121836 A, 1996.

14.       WO 9857676 A1, 1998.

15.       Wei, D., Li, G., Taw, J., Liu, Z., Xinmin, Z., Graft copolymerization of styrene onto silk sericin. Gaofenzi Xuebao, 1989. 6 p. 740-749.

16.       Sasaki, M., Yamada, H., Kato, N., Consumption of silk protein, sericin elevates intestinal absorption of zinc, iron, magnesium and calcium in rats. Nutrition Research, 2000. 20(10): p. 1505-1511. DOI: 10.1016/S0271-5317(00)80031-7.

17.       Sasaki, M., Yamada, H., Kato, N., A Resistant Protein, Sericin Improves Atropine-Induced Constipation in Rats. Food Science and Technology Research, 2000. 6(4): p. 280-283. DOI: 10.3136/fstr.6.280.

18.       Sasaki, M., Kato, N., Watanabe, H., Yamada, H., Silk protein, sericin, suppresses colon carcinogenesis induced by 1, 2-dimethylhydrazine in mice. Oncology reports, 2000. 7(5): p. 1049-1101. DOI: 10.3892/or.7.5.1049.

19.       ClinicalTrials.gov Identifier: NCT01539980

20.       Aramwit, P., Palapinyo, S., Srichana, T., Chottanapund, S., Muangman, P., Silk sericin ameliorates wound healing and its clinical efficacy in burn wounds. Archives of Dermatological Research, 2013. 305(7): p. 585-594. DOI: 10.1007/s00403-013-1371-4.

21.       ClinicalTrials.gov Identifier: NCT02643680

22.       ClinicalTrials.gov Identifier: NCT02091076

23.       Deenonpoe, R., Prayong, P., Thippamom, N., Meephansan, J., Na-Bangchang, K., Anti-inflammatory effect of naringin and sericin combination on human peripheral blood mononuclear cells (hPBMCs) from patient with psoriasis. BMC Complementary and Alternative Medicine, 2019. 19(1): p. 168. DOI: 10.1186/s12906-019-2535-3.

24.       Valluzzi, R., Gido, S.P., Muller, W., Kaplan, D.L., Orientation of silk III at the air-water interface. International Journal of Biological Macromolecules, 1999. 24(2): p. 237-242. DOI: 10.1016/S0141-8130(99)00002-1.

25.       Farokhi, M., Mottaghitalab, F., Fatahi, Y., Saeb, M.R., Zarrintaj, P., Kundu, S.C., Khademhosseini, A., Silk fibroin scaffolds for common cartilage injuries: Possibilities for future clinical applications. European Polymer Journal, 2019. 115: p. 251-267. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2019.03.035.

26.       Dyakonov, T., Yang, C.H., Bush, D., Gosangari, S., Majuru, S., Fatmi, A., Design and characterization of a silk-fibroin-based drug delivery platform using naproxen as a model drug. J Drug Deliv, 2012. 2012: p. 490514-490514. DOI: 10.1155/2012/490514.

27.       US 5951506, 1999.

28.       Wu, C. Properties and applications of wound-protective membrane made from fibroin. in Proceedings of the Third International Silk Conference, China, Suzhou. 1996.

29.       Altman, G.H., Diaz, F., Jakuba, C., Calabro, T., Horan, R.L., Chen, J., Lu, H., Richmond, J., Kaplan, D.L., Silk-based biomaterials. Biomaterials, 2003. 24(3): p. 401-416. DOI: 10.1016/S0142-9612(02)00353-8.

30.       Silva, S.S., Motta, A., Rodrigues, M.T., Pinheiro, A.F.M., Gomes, M.E., Mano, J.F., Reis, R.L., Migliaresi, C., Novel Genipin-Cross-Linked Chitosan/Silk Fibroin Sponges for Cartilage Engineering Strategies. Biomacromolecules, 2008. 9(10): p. 2764-2774. DOI: 10.1021/bm800874q.

31.       Inouye, K., Kurokawa, M., Nishikawa, S., Tsukada, M., Use of Bombyx mori silk fibroin as a substratum for cultivation of animal cells. Journal of Biochemical and Biophysical Methods, 1998. 37(3): p. 159-164. DOI: 10.1016/S0165-022X(98)00024-4.

32.       ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03673449

33.       ClinicalTrials.gov Identifier: NCT02487628

34.       Hofmann, S., Wong Po Foo, C.T., Rossetti, F., Textor, M., Vunjak-Novakovic, G., Kaplan, D.L., Merkle, H.P., Meinel, L., Silk fibroin as an organic polymer for controlled drug delivery. Journal of Controlled Release, 2006. 111(1): p. 219-227. DOI: 10.1016/j.jconrel.2005.12.009.