CN107556377A - 重组人源胶原蛋白及其医用纳米纤维膜 - Google Patents

重组人源胶原蛋白及其医用纳米纤维膜 Download PDF

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邓爱鹏
康肸
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Abstract

本发明提供了一种重组人源胶原蛋白及其纳米纤维膜。另外,本发明还提供了该纳米纤维膜的制备方法,包括将重组人源胶原蛋白、聚氧化乙烯、碳化二亚胺和壳聚糖混合反应,继而进行纺丝。

Description

重组人源胶原蛋白及其医用纳米纤维膜
技术领域
本发明属于多肽技术和生物医用材料领域,具体而言,本发明涉及重组人源胶原蛋白和壳聚糖基医用纳米纤维膜。
背景技术
皮肤是人体最大的组织,在调节水分、温度和电解质,防御异源物质入侵等方面发挥着重要作用。由烧伤、糖尿病、肥胖和癌症病人的创伤修复已成为一项全球性健康问题,每年大约有600000例糖尿病导致的足癣病患,伴有感染、截肢甚至死亡的风险。同时,由于老龄化和肥胖导致的溃疡也越来越明显。这时传统的治疗方法就显得局限,而寻找更加先进有效的生物材料来对其进行治疗越来越紧迫。
然而,现有技术对此研究得并不充分,例如,中国专利申请CN105963800A公开了一种医用支架材料,其由以下步骤制备而成:先将硝酸钙和去离子水混合搅拌至溶解;将硅酸钠和去离子水混合搅拌至溶解;将聚乙二醇加入硝酸钙溶液中,一边搅拌一边滴加硅酸钠溶液,滴完后继续搅拌;过滤,用无水乙醇洗涤;放入烘箱中烘干;和壳聚糖、海藻酸钠、明胶、阿拉伯胶、羧甲基纤维素、对羟基苯甲酸甲酯、去离子水混合高速搅拌;加入冰乙酸搅拌;放入冰箱中冷冻;放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥;将氢氧化钠和去离子水混合溶解;将冷冻干燥物用氢氧化钠溶液浸泡;用去离子水洗至中性,干燥即得。
另外,中国专利申请CN103966695A和CN103966688A分别提供了一种保健苎麻纤维面料和一种棉再生纤维素面料,其用于纺织领域,而非生物医用材料领域。
在现有技术无法预期的情况下,本发明人基于对创伤治愈过程中细胞和分子行为的理解,以及对生物材料作用机制的研究,开发了一种静电纺丝纳米纤维膜创伤敷料,其中使用的重组人源胶原蛋白分子量确定,无免疫原性,生物相容性好。另外,本发明人以重组人源胶原蛋白和聚氧化乙烯与壳聚糖互配,以低浓度醋酸为纺丝溶液,可得到形貌均一的纳米纤维,直径在120-200nm之间,无细胞毒性。还有,本发明将碳化二亚胺直接混入纺丝原液中,既可保持纺丝原液的性状,又省去了纺丝后的交联步骤,极大地提高了纳米纤维膜的质量和生产效率,而且不会造成纤维膜皱缩和多孔形貌破坏。由此,静电纺丝制备纳米纤维敷料,提供了足够的机械强度,作为细胞的粘附、增殖、合成自身的天然细胞外基质(ECM)的基质,通过形态学和生物学诱导细胞行为,从而促进组织修复。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供新的重组人源胶原蛋白和新的纳米纤维膜。另外,本发明还提供它们的制备方法和应用等。
具体而言,在第一方面,本发明提供了重组人源胶原蛋白,其氨基酸序列
a)如序列表中的SEQ ID NO:1所示;或
b)是对序列表中的SEQ ID NO:1所示的序列添加、缺失和/或取代一个或几个氨基酸残基而得的氨基酸序列,并且由所述重组人源胶原蛋白制备的纳米纤维膜能够促进细胞增殖。
在第二方面,本发明提供了核酸分子,其编码本发明第一方面的重组人源胶原蛋白。
在第三方面,本发明提供了载体,其含有本发明第二方面的核酸分子。载体优选是表达载体,更优选是酵母表达载体。
在第四方面,本发明提供了宿主细胞,其含有本发明第二方面的核酸分子。宿主细胞可以通过转染或转导本发明第三方面的载体来制备。宿主细胞优选是酵母细胞。
在第五方面,本发明提供了制备本发明第一方面的重组人源胶原蛋白的方法,其包括,用本发明第四方面的宿主细胞表达本发明第一方面的重组人源胶原蛋白,然后分离纯化所述重组人源胶原蛋白。
在第六方面,本发明提供了纳米纤维膜,其由如下方法制备:
(1)将重组人源胶原蛋白、壳聚糖和聚氧化乙烯分别溶于醋酸和乙醇的水溶液中,分别制备得到胶原蛋白溶液、壳聚糖溶液和聚氧化乙烯溶液;
(2)混合胶原蛋白溶液和聚氧化乙烯溶液,加入碳化二亚胺反应,再加入壳聚糖溶液继续反应,制备得反应溶液;
(3)将反应溶液置于注射器中,于静电纺丝机上纺丝,形成纳米纤维膜;和,
(4)任选对纳米纤维膜进行裁剪。
其中,重组人源胶原蛋白优选是本发明第一方面的重组人源胶原蛋白。
优选在本发明第六方面的纳米纤维膜中,在步骤(1)中,
醋酸和乙醇的水溶液中醋酸浓度为2~5%(V/V);
醋酸和乙醇的水溶液中醋酸与乙醇比例为5-10:1;和/或,醋酸和乙醇的水溶液中乙醇浓度为0.2~0.5%。
也优选在本发明第六方面的纳米纤维膜中,在步骤(1)中,
胶原蛋白溶液的浓度为6-20%(W/V);
壳聚糖溶液的浓度为4-8%(W/V);和/或,
聚氧化乙烯溶液的浓度为4-8%(W/V)。
优选在本发明第六方面的纳米纤维膜中,在步骤(2)中,
重组人源胶原蛋白、壳聚糖和聚氧化乙烯的重量比为10:6~10:0.6~2,更优选为10:8~10:0.8~1.6;和/或,
碳化二亚胺的加入浓度至3~30mM,更优选为5~20mM。
优选在本发明第六方面的纳米纤维膜中,在步骤(2)中,
反应的温度为37℃;和/或,
反应的时间为10分钟。
优选在本发明第六方面的纳米纤维膜中,在步骤(3)中,
纺丝的为电压12-18kV;
纺丝的速度为0.2-0.5ml/h;
纺丝的温度为37℃;和/或,
纺丝的平板接收距离为12-20cm。
在第七方面,本发明提供了本发明第六方面的纳米纤维膜的制备方法。优选地,本发明第七方面的制备方法包括如下步骤:
(1)将重组人源胶原蛋白、壳聚糖和聚氧化乙烯分别溶于醋酸和乙醇的水溶液中,分别制备得到胶原蛋白溶液、壳聚糖溶液和聚氧化乙烯溶液;
(2)混合胶原蛋白溶液和聚氧化乙烯溶液,加入碳化二亚胺反应,再加入壳聚糖溶液继续反应,制备得反应溶液;
(3)将反应溶液置于注射器中,于静电纺丝机上纺丝,形成纳米纤维膜;和,
(4)任选对纳米纤维膜进行裁剪。
更优选地,本发明第七方面的制备方法也优选本发明第六方面的各个优选的方面。
在第八方面,本发明提供了本发明第六方面的纳米纤维膜在制备医用敷料、组织修复材料和/或药物缓释载体中的应用。
本发明的有益效果在于,本发明的重组人源胶原蛋白分子量确定,无免疫原性,生物相容性好;本发明的纳米纤维膜中的纳米纤维直径在120-200nm之间,无细胞毒性,其制备时的纺丝原液成分既可保持纺丝原液的性状,又省去了纺丝后的交联步骤,极大地提高了纳米纤维膜的质量和生产效率,而且不会造成纤维膜皱缩和多孔形貌破坏,并且通过静电纺丝制备,提供了足够的机械强度,而且整体制备步骤简单,节省了时间和成本,能够更好、更广泛的应用于医药行业;本发明的纳米纤维膜作为细胞的粘附、增殖、合成自身的天然细胞外基质的基质,通过形态学和生物学诱导细胞行为,从而促进组织修复。
为了便于理解,以下将通过具体的实施例和附图对本发明进行详细地描述。需要特别指出的是,具体实例仅是为了说明,并不构成对本发明范围的限制。显然本领域的普通技术人员可以根据本文说明,在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变,这些修正和改变也纳入本发明的范围内。
附图说明
图1为制得的纳米纤维膜的SEM照片。
图2为制得的纳米纤维膜的宏观照片。
图3为L929细胞在纳米纤维膜上生长7天后的形态照片。
具体实施方式
以下本文将通过具体的实施例来描述发明。如未特别指明之处,可根据本领域技术人员所熟悉的《分子克隆实验指南》(第三版)等实验手册中所列方法来实施;其中的试剂均可通过商业渠道获得。
实施例1本发明的重组人源胶原蛋白的制备
根据本发明人研究设计的重组人源胶原蛋白(其氨基酸序列如SEQ ID NO:1所示),委托上海生工生物工程股份有限公司合成其编码基因并克隆入pPIC9K载体,电转化入Pichia pastoris酵母表达菌株GS115。将检测阳性的转化子经BMGY培养基培养24小时后,以10%(V/V)的量接种于发酵培养基(配方:甘油40g、K2SO4 18.2g、H3PO4 26.7ml、CaSO4.2H2O 0.93g、MgSO4 14.9g、KOH 4.13g,用水定容至1L)以29℃培养,控制溶氧为22~25%,培养4小时后,加入甲醇至终浓度0.5%(V/V)来诱导表达,于29℃继续振荡培养72小时,期间每隔24小时补加100%甲醇以保持甲醇的终浓度为0.5%(V/V)。发酵液取上清液电泳,经归一法计算,本发明的重组人源胶原蛋白的表达量为13g/L。
发酵液过滤去除菌体和固体杂质,用中空纤维超滤膜浓缩脱盐,然后将浓缩液上样于用pH为5.0的10mM柠檬酸缓冲液平衡的CM Sepharose FF层析柱,用含0.5M NaCl的pH值为5.0的10mM柠檬酸缓冲液洗脱,收集洗脱液,再,用中空纤维超滤膜浓缩脱盐,冷冻干燥浓缩液,即得本发明的重组人源胶原蛋白。
实施例2本发明的纳米纤维膜的制备1
配制含2%(V/V)醋酸和0.2%(V/V)乙醇的水溶液,用其分别室温震荡溶解本发明的重组人源胶原蛋白、壳聚糖(上海蓝季生物科技有限公司,Mw.700-800kD)和聚氧化乙烯(Aldrich,Mw.600kD),分别配制成5%(W/V,g/mL)胶原蛋白溶液、5%(W/V,g/mL)壳聚糖溶液和5%(W/V,g/mL)聚氧化乙烯溶液。
将胶原蛋白溶液与聚氧化乙烯溶液以10:1的体积比混合,加入碳化二亚胺至终浓度5mM,于37℃搅拌10分钟,再加入壳聚糖溶液(其与胶原蛋白溶液的体积比为1:1),继续于37℃搅拌过夜。然后将反应溶液置于注射器中,于静电纺丝机(永康乐业,ET 2535)上纺丝,纺丝条件为电压12kV,速度为0.3ml/h,温度为37℃,纱布平板接收距离为12cm,由此制备得到本发明的纳米纤维膜1,其可以进行任意裁剪,其SEM照片和宏观照片分别如图1和图2所示。
另外,以人胶原蛋白和牛胶原蛋白代替本发明的重组人源胶原蛋白,按上述方法制备纳米纤维膜,作为对照。
实施例3本发明的纳米纤维膜的制备2
配制含3%(V/V)醋酸和0.3%(V/V)乙醇的水溶液,用其分别室温震荡溶解本发明的重组人源胶原蛋白、壳聚糖(上海蓝季生物科技有限公司,Mw.700-800kD)和聚氧化乙烯(Aldrich,Mw.600kD),分别配制成10%(W/V,g/mL)胶原蛋白溶液、8%(W/V,g/mL)壳聚糖溶液和8%(W/V,g/mL)聚氧化乙烯溶液。
将胶原蛋白溶液与聚氧化乙烯溶液以5:1的体积比混合,加入碳化二亚胺至终浓度10mM,于37℃搅拌10分钟,再加入壳聚糖溶液(其与胶原蛋白溶液的体积比为1:1),继续于37℃搅拌过夜。然后将反应溶液置于注射器中,于静电纺丝机上纺丝,纺丝条件为电压14kV,速度为0.5ml/h,温度为37℃,纱布平板接收距离为14cm,由此制备得到本发明的纳米纤维膜2,其可以进行任意裁剪。
实施例4本发明的纳米纤维膜的制备3
配制含4%(V/V)醋酸和0.4%(V/V)乙醇的水溶液,用其分别室温震荡溶解本发明的重组人源胶原蛋白、壳聚糖(上海蓝季生物科技有限公司,Mw.700-800kD)和聚氧化乙烯(Aldrich,Mw.600kD),分别配制成10%(W/V,g/mL)胶原蛋白溶液、8%(W/V,g/mL)壳聚糖溶液和8%(W/V,g/mL)聚氧化乙烯溶液。
将胶原蛋白溶液与聚氧化乙烯溶液以10:1的体积比混合,加入碳化二亚胺至终浓度20mM,于37℃搅拌10分钟,再加入壳聚糖溶液(其与胶原蛋白溶液的体积比为1:1),继续于37℃搅拌过夜。然后将反应溶液置于注射器中,于静电纺丝机上纺丝,纺丝条件为电压16kV,速度为0.5ml/h,温度为37℃,纱布平板接收距离为16cm,由此制备得到本发明的纳米纤维膜3,其可以进行任意裁剪。
实施例5本发明的纳米纤维膜的细胞促增值实验
将消毒的本发明的纳米纤维膜及其对照裁剪成小块,分别置于96孔板的孔中(阴性对照不加纳米纤维膜),接种成纤维细胞L929并于CO2培养箱37℃中培养,用MTT法测定,并计算细胞相对增殖率。
表1细胞相对增殖率
阴性对照 人胶原蛋白 牛胶原蛋白 本发明1 本发明2 本发明3
100% 138% 124% 156% 163% 141%
结果如表1所示,加入通过本发明的方法制备的纳米纤维膜均能有效促进成纤维细胞的增殖,其中来自人的胶原蛋白的效果优于牛胶原蛋白的,而本发明的重组人源胶原蛋白的效果优于野生型的人胶原蛋白。
实施例6本发明的纳米纤维膜的细胞形态学实验
将消毒的本发明的纳米纤维膜及其对照裁剪成小块,分别置于48孔板的孔中,接种成纤维细胞L929并于CO2培养箱37℃中培养,7天后用AO/EB双荧光染色,于倒置荧光显微镜下观察细胞形态,见附图3,分别对应本发明实施例2-4制备的纳米纤维膜。
实施例7本发明的纳米纤维膜的力学性能测试
将本发明的纳米纤维膜及其对照裁剪成0.5×4cm的长方形,置于万能力学测试机(Hitachi,TM3030Plus)以2mm/min的速率测试纤维膜的力学性能(阴性对照为不加碳化二亚胺)。并计算得相应的断裂伸长率和杨氏模量。
表2纳米纤维膜力学性能
阴性对照 本发明1 本发明2 本发明3
断裂伸长率 20.58% 26.1% 32.58% 39.45%
杨氏模量 24.6MPa 63.67MPa 95.3MPa 102.41MPa
序列表
<110> 南京艾澜德生物科技有限公司
<120> 重组人源胶原蛋白及其医用纳米纤维膜
<130> CN
<160> 1
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 755
<212> PRT
<213> Homo sapiens
<400> 1
Gly Pro Pro Gly Glu Pro Gly Asn Pro Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly
1 5 10 15
Gln Pro Gly Asn Lys Gly Ser Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Asn
20 25 30
Glu Gly Gln Pro Gly Gln Pro Gly Gln Asn Gly Gln Pro Gly Glu Pro
35 40 45
Gly Ser Asn Gly Pro Gln Gly Ser Gln Gly Asn Pro Gly Lys Asn Gly
50 55 60
Gln Pro Gly Ser Pro Gly Ser Gln Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly Ser
65 70 75 80
Pro Gly Gln Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Glu Gln Gly Lys Pro
85 90 95
Gly Asn Gln Gly Pro Ala Gly Glu Pro Gly Asn Pro Gly Ser Pro Gly
100 105 110
Asn Gln Gly Gln Pro Gly Asn Lys Gly Ser Pro Gly Asn Pro Gly Gln
115 120 125
Pro Gly Asn Glu Gly Gln Pro Gly Gln Pro Gly Gln Asn Gly Gln Pro
130 135 140
Gly Glu Pro Gly Ser Asn Gly Pro Gln Gly Ser Gln Gly Asn Pro Gly
145 150 155 160
Lys Asn Gly Gln Pro Gly Ser Pro Gly Ser Gln Gly Ser Pro Gly Asn
165 170 175
Gln Gly Ser Pro Gly Gln Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Glu Gln
180 185 190
Gly Lys Pro Gly Asn Gln Gly Pro Ala Gly Glu Pro Gly Asn Pro Gly
195 200 205
Ser Pro Gly Asn Gln Gly Gln Pro Gly Asn Lys Gly Ser Pro Gly Asn
210 215 220
Pro Gly Gln Pro Gly Asn Glu Gly Gln Pro Gly Gln Pro Gly Gln Asn
225 230 235 240
Gly Gln Pro Gly Glu Pro Gly Ser Asn Gly Pro Gln Gly Ser Gln Gly
245 250 255
Asn Pro Gly Lys Asn Gly Gln Pro Gly Ser Pro Gly Ser Gln Gly Ser
260 265 270
Pro Gly Asn Gln Gly Ser Pro Gly Gln Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro
275 280 285
Gly Glu Gln Gly Lys Pro Gly Asn Gln Gly Pro Ala Gly Glu Pro Gly
290 295 300
Asn Pro Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly Gln Pro Gly Asn Lys Gly Ser
305 310 315 320
Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Asn Glu Gly Gln Pro Gly Gln Pro
325 330 335
Gly Gln Asn Gly Gln Pro Gly Glu Pro Gly Ser Asn Gly Pro Gln Gly
340 345 350
Ser Gln Gly Asn Pro Gly Lys Asn Gly Gln Pro Gly Ser Pro Gly Ser
355 360 365
Gln Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly Ser Pro Gly Gln Pro Gly Asn Pro
370 375 380
Gly Gln Pro Gly Glu Gln Gly Lys Pro Gly Asn Gln Gly Pro Ala Gly
385 390 395 400
Glu Pro Gly Asn Pro Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly Gln Pro Gly Asn
405 410 415
Lys Gly Ser Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Asn Glu Gly Gln Pro
420 425 430
Gly Gln Pro Gly Gln Asn Gly Gln Pro Gly Glu Pro Gly Ser Asn Gly
435 440 445
Pro Gln Gly Ser Gln Gly Asn Pro Gly Lys Asn Gly Gln Pro Gly Ser
450 455 460
Pro Gly Ser Gln Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly Ser Pro Gly Gln Pro
465 470 475 480
Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Glu Gln Gly Lys Pro Gly Asn Gln Gly
485 490 495
Pro Ala Gly Glu Pro Gly Asn Pro Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly Gln
500 505 510
Pro Gly Asn Lys Gly Ser Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Asn Glu
515 520 525
Gly Gln Pro Gly Gln Pro Gly Gln Asn Gly Gln Pro Gly Glu Pro Gly
530 535 540
Ser Asn Gly Pro Gln Gly Ser Gln Gly Asn Pro Gly Lys Asn Gly Gln
545 550 555 560
Pro Gly Ser Pro Gly Ser Gln Gly Ser Pro Gly Asn Gln Gly Ser Pro
565 570 575
Gly Gln Pro Gly Asn Pro Gly Gln Pro Gly Glu Gln Gly Lys Pro Gly
580 585 590
Asn Gln Gly Pro Ala Gly Gly
595

Claims (10)

1.重组人源胶原蛋白,其氨基酸序列
a)如序列表中的SEQ ID NO:1所示;或
b)是对序列表中的SEQ ID NO:1所示的序列添加、缺失和/或取代一个或几个氨基酸残基而得的氨基酸序列,并且由所述重组人源胶原蛋白制备的纳米纤维膜能够促进细胞增殖。
2.核酸分子,其编码权利要求1所述的重组人源胶原蛋白。
3.载体或宿主细胞,其含有权利要求2所述的核酸分子。
4.制备权利要求1所述的重组人源胶原蛋白的方法,其包括,用权利要求3所述的宿主细胞表达权利要求1所述的重组人源胶原蛋白,然后分离纯化所述重组人源胶原蛋白。
5.纳米纤维膜,其由如下方法制备:
(1)将重组人源胶原蛋白、壳聚糖和聚氧化乙烯分别溶于醋酸和乙醇的水溶液中,分别制备得到胶原蛋白溶液、壳聚糖溶液和聚氧化乙烯溶液;
(2)混合胶原蛋白溶液和聚氧化乙烯溶液,加入碳化二亚胺反应,再加入壳聚糖溶液继续反应,制备得反应溶液;
(3)将反应溶液置于注射器中,于静电纺丝机上纺丝,形成纳米纤维膜;和,
(4)任选对纳米纤维膜进行裁剪。
6.权利要求5所述的纳米纤维膜,其中在步骤(1)中,
醋酸和乙醇的水溶液中醋酸浓度为2~5%(V/V);醋酸和乙醇的水溶液中醋酸与乙醇比例为5-10:1;和/或,醋酸和乙醇的水溶液中乙醇浓度为0.2~0.5%;或,胶原蛋白溶液的浓度为6-20%(W/V);壳聚糖溶液的浓度为4-8%(W/V);和/或,聚氧化乙烯溶液的浓度为4-8%(W/V)。
7.权利要求5所述的纳米纤维膜,其中在步骤(2)中,
重组人源胶原蛋白、壳聚糖和聚氧化乙烯的重量比为10:6~10:0.6~2,优选为10:8~10:0.8~1.6;和/或,碳化二亚胺的加入浓度至3~30mM,优选为5~20mM;或,反应的温度为37℃;和/或,反应的时间为10分钟。
8.权利要求5所述的纳米纤维膜,其中在步骤(3)中,纺丝的为电压12-18kV;纺丝的速度为0.2-0.5ml/h;纺丝的温度为37℃;和/或,纺丝的平板接收距离为12-20cm。
9.权利要求5~8之一所述的纳米纤维膜的制备方法。
10.权利要求5~8之一所述的纳米纤维膜在制备医用敷料、组织修复材料和药物缓释载体中的应用。
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