「我們的論文從接收到發表僅經過一輪評審，大概一個多月的時間。期刊編輯只給了 7 天時間修改相關細節，並在不到 24 小時內順利通過，這或許與這項研究做得比較紮實密切相關。」重慶大學副教授郝石磊如是說。
審稿人評價稱，這項研究提供了 17 種重組人發角蛋白來加速皮膚傷口癒合，並證明它們通過促進上皮再形成和血管生成，來促進皮膚傷口癒合的細胞機制。另一位審稿人則認為，「作者們提供了一項全面的研究，探討毛細胞角蛋白對角質形成細胞行為和傷口癒合的影響。」
圖丨郝石磊（來源：郝石磊）
近期，重慶大學團隊首次繪製出 17 種人發角蛋白的調控創面修復功能譜，通過系統地研究上皮細胞的遷移在細胞水平的作用機制，揭示出人發角蛋白在創面修復效果的規律（具有差異性），從而能夠快速地確定創面修復性能最佳的角蛋白。
值得關注的是，研究人員通過對促表皮細胞增殖及血管新生的作用機制的深入研究，在動物模型體內驗證了細胞水平通路，證明通過 RK34 能夠應用於慢性糖尿病的創面修復，為角蛋白在創面修復的應用提供了新視角。
該研究不僅為角蛋白的個性化或精準利用提供指導，還為人體組織修復（包括但不限於胃癌、神經修復等）提供了重要的理論基礎和實驗基礎。
揭示人發角蛋白創面修復新機制
角蛋白是一種纖維結構蛋白家族，其從類型可分為硬角蛋白和軟角蛋白。具體來說，硬角蛋白包括人類和動物的指甲（爪）、頭髮、角、殼、（鳥）嘴等；軟角蛋白主要位於人體皮膚外層，是組成中間絲的重要成分。
人體中總體存在 54 種角蛋白，而頭髮中的角蛋白數量為 17 種。人發角蛋白在加速傷口癒合方面具有重要的前景。然而，由於高度的序列同源性，很難從它們的亞型中區分特徵和機制。
圖丨不同重組角蛋白基納米纖維的傷口癒合性能（來源：Advanced Functional Materials）
該課題組通過對人發 17 種角蛋白的重組表達，進一步得出角蛋白復合納米纖維膜。並且，在動物水平對不同角蛋白復合膜的促創面修復效果進行了深入研究。通過系統地研究上皮細胞的遷移在細胞水平的作用機制，17 種人發角蛋白在傷口癒合速率、表皮再生和血管生成方面具有獨特行為和優勢。
研究人員發現，不同的人發角蛋白修復性能存在差異，並揭示出 17 種人發角蛋白在創面修復效果的規律，從而能夠快速地確定創面修復性能最佳的角蛋白。其中，重組角蛋白（RK）33B、RK34、RK39 和 RK84 在加速傷口閉合方面表現出最高的效率，RK34、RK37 和 RK81 表現出最強的血管生成性能。
通過轉錄組學分析，研究人員對促表皮細胞增殖及血管新生的作用機制進行了深入研究，並在體內驗證了細胞水平通路。也就是說，介導角蛋白能夠利用 PI3K/AKT1/mTOR 通路，增進 HaCaT 細胞增殖遷移，並利用 STAT3/HIF-1α/VEGF 途徑介導人臍靜脈內皮細胞的增殖遷移。
（來源：Advanced Functional Materials）
郝石磊認為，將 17 種人發角蛋白全部做出來是研究中最大的挑戰。「此前我們也做過其他蛋白，包括酶、膜蛋白等。最讓人激動的是，這 17 種角蛋白都表達，我們根據這些功能首次繪製出人發角蛋白調控創面修復功能譜。」經過課題組成員反覆討論，在對比柱狀圖、折線圖等形式後，他們認為「雷達圖」的表現效果最佳。
另一方面，該團隊對於角蛋白自身特有的活性也進行挖掘。在以往的研究中，國內外課題組已對於蛋白類生物材料進行相關研究，但是，角蛋白本身的結構特點，包括其生理功能尚未明晰。
研究人員通過對比後發現，RK33B 在傷口閉合加速方面的效率最高，但血管生成性能較弱，而 RK84 具有較強的閉合加速和上皮化性能。此外，RK34 具有較強的閉合加速、血管生成和再上皮化等特性。通過建立動物模型，他們還提供了人發角蛋白 RK34、RK81 和 RK31 對糖尿病大鼠具有足夠的傷口癒合作用的證據。
圖丨相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
最終，相關論文以《驅動毛細胞角蛋白在傷口癒合過程中的不同行為的細胞機制》（Cellular Mechanisms Driving the Distinct Behavior of Trichocyte Keratins in Wound Healing）為題發表在 Advanced Functional Materials[1]。重慶大學博士生李文鳳為論文第一作者，郝石磊副教授為論文通訊作者。
郝石磊認為，做科研與做產品有「異曲同工之妙」，每一篇論文就像產品說明書，要清楚、明白地展示相關作用機制，也要對相關的作用和意義進行詳細「說明」，從而為領域提供相關的指導意義。
「獨行快，眾行遠」
角蛋白在 20 世紀 40 至 50 年代曾經」火熱「過一段時間，科學家們對角蛋白的生物活性進行了相關探索。在 2008 年左右，美國維克森林大學的科學家從頭髮中提取角蛋白，作為各方向的組織工程應用。
郝石磊是藥劑學的科研背景，在重慶大學分別獲得藥物化學專業的碩士學位和生物醫學工程專業的博士學位，師從王伯初教授。博士畢業後留校任教，並曾作為美國麻省理工學院張曙光課題組的訪問學者。在看到角蛋白髮展的潛力後，他將研究主要方向聚焦於蛋白質科學和力-生物學，目前已在角蛋白領域研究近十年。
郝石磊指出，「我們團隊在角蛋白領域內發表的期刊論文比較多，但是這並不是最終目的。隨著研究的深入，我們對角蛋白像拼拼圖一樣不斷地完善認知，因此也對角蛋白產生了更大的敬畏之心。我認為，研究重組角蛋白並不是為了替代提取角蛋白，而是為了幫助更好地提取角蛋白。」
圖丨重組人發角蛋白的合成及理化特性研究（來源：Advanced Functional Materials）
在郝石磊看來，他的研究可以分為三個階段，分別為角蛋白新劑型開發、重組角蛋白以及深入挖掘角蛋白特有的生物活性。得益於該課題組蛋白重組表達平台，他與團隊慢慢地從僅實現兩三種人發角蛋白表達逐步做到 17 種人發角蛋白全部表達。
在從事科學研究的早期階段，他致力於提取角蛋白用作止血、組織修復等。一方面，把角蛋白做成不同的劑型（用電噴方式製備納米粒）。另一方面，從廢物回收利用的角度，比如從羽毛中提取角蛋白。
他利用人發角蛋白的自組裝特性研究了不同類型、數目和時間對重組角蛋白自組裝行為的影響，挖掘了人發角蛋白的自組裝活性基元，發展出韌角蛋白水凝膠用於藥物遞送和創面修復[2]。「雖然我們只做了四種角蛋白，但是四種角蛋白的自組裝系統也存在差異。這就代表角蛋白與其具體的應用場景有很大的關係。」郝石磊說。
在重組角蛋白方面，郝石磊聯合神外專家團隊通過解析 17 種人發角蛋白對小膠質細胞 M2 極化的調控影響，證明重組人發角蛋白 RK33A 是最具免疫調控效力的角蛋白亞型；對大鼠 T9 半橫斷脊髓損傷模型的研究，明確了 RK33A 納米纖維對大鼠運動功能改善、髓鞘丟失減少和組織新生的影響，有效提高脊柱神經損傷的修復效果[3]。
與此同時，他對角蛋白獨有的特質也進行了深入挖掘。受中藥血餘炭生物活性高的啟發，他明確了 17 種人發角蛋白的止血性能差異，通過解析不同角蛋白結構域對其止血性能的影響，發現人發角蛋白的止血性能與其 α 螺旋的含量有關。並且，發現角蛋白止血機制主要是 N 端的 Tyr、Phe 和 Gln 殘基與纖維蛋白原作用促進纖維蛋白肽的釋放[4]。
圖丨α 螺旋狀角蛋白與纖維蛋白原之間的分子相互作用（來源：Advanced Healthcare Materials）
以單一的人發重組角蛋白為底物，模擬人發角蛋白的還原提取過程，解析角蛋白可溶化變化過程，明確還原反應前后角蛋白分子量、二級結構、化學結構、胺基酸含量和熱穩定的影響，並進一步製備可溶性重組角蛋白用於創面修復的治療性能提升[5]。
此外，在研究過程中郝石磊也發現了課題組的「短板」，即在複雜模型上製備方面具有挑戰。因此，他們也更廣泛地與臨床醫生廣泛合作，包括神經外科、神經內科、骨科、肝膽科、皮膚科等，以結合更多動物模型、評價機制等。
未來，郝石磊希望將角蛋白的作用機制更多地與各領域結合。與此同時，也計劃在機制明確的基礎上進行功能角蛋白的理性設計，通過不斷地挖掘角蛋白特有的生物特性，來滿足臨床方面的各種治療需求。
近年來，隨著 AlphaFlold 等新工具的誕生，有望通過化學機制修飾等方法促進更多新型蛋白設計。從更長遠的角度來看，整個角蛋白領域可研究的空間仍然很大。郝石磊表示，「在有些領域 17 種角蛋白是一樣的，而有些領域則不同，因此其中可能蘊含某種特定規律，需要我們後續進一步挖掘。」
有句話叫做「獨行快，眾行遠」，「針對角蛋白不同的應用方向，也歡迎更多領域的合作者與我們共同推動角蛋白領域的發展。」他說。
參考資料：
1.Li,Wen.,et al.Cellular Mechanisms Driving the Distinct Behavior of Trichocyte Keratins in Wound Healing. Advanced Functional Materials,2023.https://doi.org/10.1002/adfm.202307634
2.Chen,Li., et al. Bioinspired Robust Keratin Hydrogels for Biomedical Applications.Nano Letters, 2022, 22(22): 8835-8844. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02530
3.Zhong,Wen.,et al. Role of Trichocytic Keratins in Anti-Neuroinflammatory Effects After Spinal Cord Injury.Advanced Functional Materials, 2023, 2212870. https://doi.org/10.1002/adfm.202212870
4.Kan,Jin., et al. Study of Mechanisms of Recombinant Keratin Solubilization with Enhanced Wound Healing Capability.Advanced Healthcare Materials, 2022, 11: 2200290. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c00124
5.Kan,Jin., et al. Study of Mechanisms of Recombinant Keratin Solubilization with Enhanced Wound Healing Capability.Chemistry Of Materials, 2020, 22: 3122-3133. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c00124