《Materials Today Bio》：Microalgal Therapeutic Peptides: From Biomass to Bone Tissue Engineering
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本综述系统探讨了微藻来源的治疗肽作为骨组织工程新材料的潜力。文章全面梳理了从微藻培养、蛋白质提取到肽段纯化的生产流程，重点分析了这些肽的成骨、抗炎、抗氧化及抗菌等关键生物活性及其潜在的分子机制，并展望了将其整合于纳米载体、水凝胶等先进递送系统的应用前景，为开发新一代安全、有效的骨再生生物材料提供了重要参考。
微藻作为治疗肽的潜在来源
微藻因其高蛋白质含量和快速生长速率，已成为生物活性分子的可再生来源。美国食品药品监督管理局（FDA）已将其认定为食品和饲料应用中“一般认为安全”（Generally Regarded As Safe， GRAS）的物质，这为其生物医学转化提供了安全性基础。在微藻产生的大分子（如脂质、碳水化合物）中，蛋白质是最丰富的部分，也是肽的主要来源。例如，Spirulina（螺旋藻）和Chlorella（小球藻）的蛋白质含量按干重计分别高达50–70%和50–60%，远高于传统植物和动物蛋白源。此外，微藻蛋白质的氨基酸组成，特别是富含丝氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等对矿化过程至关重要的氨基酸，以及赖氨酸、苏氨酸等可能促进成骨细胞增殖分化的必需氨基酸，决定了其水解后产生的肽在骨组织工程中的应用潜力。
微藻治疗肽的生产
生产微藻治疗肽涉及一系列流程，包括微藻培养、细胞破碎、蛋白质提取、蛋白质水解以及肽的分离与表征。
蛋白质提取始于受控的微藻培养，这直接影响蛋白质产量。蛋白质得率高度依赖于物种特异的细胞壁结构，因此细胞破碎方法的选择至关重要。机械物理方法（如珠磨、超声、高压均质）通常能获得更高的蛋白质提取率（>70%），但可能引起局部加热和蛋白质变性。相比之下，酶解法在温和条件下进行，能更好地保持蛋白质构象和肽的完整性，尽管得率较低（约50%）。酸/碱处理虽然简单易放大，但存在化学残留和诱导肽变性的风险。对于骨组织工程应用，酶法或混合提取策略（如温和机械处理后再进行酶解）在得率、可放大性和肽治疗活性保护之间提供了最佳平衡。
蛋白质水解：控制肽的功能。化学水解法常使用强酸或强碱，但会损害肽的完整性。酶水解法因其底物特异性、反应条件温和且污染风险低而成为首选。它还能更好地控制肽的长度和序列，这对于保证治疗活性和提高重现性至关重要。现代in silico（计算机模拟）酶解工具（如PeptideCutter）可用于预测肽的释放和活性。
肽的分离与表征是确保其稳定性、一致性和治疗效果的关键。色谱和膜基方法是主要的纯化技术。反相高效液相色谱（Reverse Phase High Performance Liquid Chromatography， RP-HPLC）因其高分辨率和高重现性成为最常用的肽分析手段。质谱（Mass Spectrometry， MS）技术，特别是与液相色谱（Liquid Chromatography， LC）联用，已成为鉴定氨基酸序列和翻译后修饰的主要工具。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance， NMR）和振动光谱则用于分析肽的高级结构。这些先进技术的结合为规模化、可重复地生产微藻治疗肽奠定了基础。
微藻治疗肽在调节骨微环境中的作用
微藻治疗肽显示出调节骨组织再生相关细胞过程的潜力，包括成骨、抗氧化、抗炎和抗菌特性。
抗炎活性：骨修复早期过度的炎症反应会抑制骨形成。从Arthrospira maxima分离的肽LDAVNR和MMLDF能减少组胺释放和白细胞介素-8（interleukin-8， IL-8）的产生。从Chlorella pyrenoidosa衍生的肽VECYGPNRPQF可抑制巨噬细胞中肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α， TNF-α）和白细胞介素-6（interleukin-6， IL-6）的生成，从而可能为骨再生创造有利的微环境。
抗菌活性：骨折相关的细菌感染是骨科手术的主要并发症。从Limnospira maxima提取的肽KLENCNYAVELGK对Escherichia coli（大肠杆菌）和Staphylococcus aureus（金黄色葡萄球菌）均有效，显示了其在设计抗感染生物材料方面的潜力。
抗氧化活性：骨损伤部位的高活性氧（reactive oxygen species， ROS）水平会损害成骨细胞分化。从Arthrospira platensis鉴定并化学合成的肽GGTCVIRGCVPKKLM能清除超氧和羟基自由基。从Chlorella sorokiniana分离的肽LSSATSAPS和AGLYGHPQTQEE也显示出抗氧化能力。这些抗氧化作用有助于维持骨微环境的氧化还原稳态。
成骨活性与分子机制：骨代谢受多条信号通路调控，如骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein， BMP）-SMAD和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase， MAPK）通路。目前，对微藻肽成骨机制的研究尚不充分。一个关键例子是从Nannochloropsis oculata分离的四肽MPDW。研究表明，它能促进成骨细胞分化，并可能与BMP-SMAD和MAPK信号通路的激活有关，导致SMAD1/5/8和细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase， ERK）、c-Jun N-末端激酶（C-Jun N-terminal kinase， JNK）、p38的磷酸化水平增加，进而上调碱性磷酸酶（alkaline phosphatase， ALP）活性以及骨钙素、I型胶原等成骨标志物的表达。另一项研究也发现，Arthrospira platensis的肽混合物能促进人羊膜间充质干细胞中Runt相关转录因子2（RUNX2）、骨钙素和β-连环蛋白（β-catenin）的表达。
用于微藻治疗肽的先进递送系统
为了增强肽的稳定性、生物利用度和控制释放，已将其整合到多种递送平台中，如纳米颗粒、纳米脂质体、泡沫支架和电纺纤维。例如，将Chlorellasp.的肽VECYGPNRPQF功能化到金纳米颗粒表面，提高了抗氧化能力并降低了细胞毒性。将Spirulinasp.的蛋白质水解物封装在纳米脂质体内，在伤口愈合模型中显示出促进修复的潜力。将来自海洋微藻Thalassiosira oceanica的肽整合到聚氨酯泡沫中，赋予了材料促进二氧化硅沉积和抗菌的双重功能。电纺技术也被用于制造含微藻治疗肽的纳米纤维，这些纤维具有良好的抗菌活性和生物相容性。
肽基水凝胶因其高含水量、可调的力学性能和良好的生物相容性，是极具前景的递送平台，尤其适合与3D打印等增材制造技术结合，用于制造患者特异性的骨植入物。水凝胶可以通过非共价自组装或共价交联策略制备。通过调整肽的序列，可以精细调控水凝胶的流变学和力学性能，以满足打印和应用的需求。此外，水凝胶易于功能化，例如可以掺入精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列以增强细胞粘附。
微藻治疗肽：从实验室到临床
将微藻治疗肽转化为临床应用需要遵循从实验室发现到治疗应用的结构化路径，并满足监管要求。国际人用药品注册技术协调会（International Council for Harmonisation， ICH）等机构制定的指南，如ICH Q6B（生物制品质量标准）、ICH S6(R1)（生物技术衍生药品的非临床安全性评价）和ICH Q1A(R2)（稳定性测试），为保障产品的质量、安全性和有效性提供了框架。尽管微藻肽在食品领域被认为是GRAS，但作为治疗剂仍需经过临床前和临床验证。目前，已有多项涉及微藻治疗肽生物医学应用的专利，例如从Nannochloropsis oculata中提取的肽MPDW已被开发用于预防或治疗骨疾病的药物专利。截至目前，仅有一项临床试验涉及将Spirulina（螺旋藻）治疗肽用作牙周手术的辅助疗法，这标志着该领域开始向临床应用迈进。
结论
微藻为骨再生提供了一个可持续的治疗肽来源。已报道的微藻肽具有抗炎、抗菌、抗氧化和成骨等多重生物活性，有潜力被整合到先进的生物材料和医疗器械中。肽基水凝胶与3D打印技术的结合，为制造个性化骨植入物提供了高度可定制的平台。然而，其临床转化仍面临挑战，包括临床证据有限、潜在的免疫原性、物种间的差异性以及大规模生产的成本和复杂性。未来的研究需要集中在建立标准化的生产流程、深入开展体内外机制研究、开发功能性支架原型以及启动早期临床试验等方面。尽管存在挑战，但考虑到微藻巨大的生物多样性仅有小部分被探索，发现新型治疗肽的前景依然广阔。
