揭示表面活性蛋白作为高效胶原经皮渗透促进剂的多重作用

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：Unravelling the Multifaceted Role of Surfactin as an Efficient Transdermal Permeation Enhancer for Collagen

　　

关长|林博川|孙鑫|李金华|王静

教育部合成与生物胶体重点实验室，江南大学化学与材料工程学院，无锡，214122，中国

摘要

重组人胶原蛋白的经皮递送受到角质层（SC）不透性屏障的严重阻碍。本研究报道了一种生物表面活性剂——表面活性素（SF），作为高效促进重组人胶原蛋白III（Col III）渗透的增强剂。基于Franz细胞的体外渗透研究表明，表面活性素能够将不同分子量（MW，30-55 kD）的Col III的皮肤渗透率提高14-20倍，其效果显著优于传统的化学渗透增强剂。傅里叶变换红外（FTIR）光谱、差示扫描量热法（DSC）和扫描电子显微镜（SEM）分析证实，表面活性素通过提取脂质、降低角蛋白结晶度以及诱导结构无序来破坏角质层的完整性。除了与角质层的相互作用外，等温滴定量热法（ITC）分析还表明，表面活性素通过疏水插入与Col III发生相互作用，这可能破坏了水化层并增加了Col III的亲脂性，从而促进了其在角质层脂质域中的扩散。这解释了Col III在缓冲液中的油水分配系数（logP）从-0.59增加到表面活性素溶液中的-0.19的原因。这些发现揭示了表面活性素通过与角质层和Col III的协同作用在促进Col III渗透方面的多重作用，显示出其在化妆品和制药应用中的巨大潜力。

引言

胶原蛋白是一类存在于细胞外基质中的多种蛋白质，广泛存在于人体组织中，可分为纤维状胶原蛋白（类型I-III、V和XI）和非纤维状胶原蛋白（类型IV、VI）[1]。胶原蛋白在各种生物系统中发挥着特殊的作用。I型胶原蛋白能够形成高度有序的交联纤维，为皮肤、韧带和肌腱等组织提供结构支持。II型胶原蛋白主要存在于软骨组织中，如关节软骨。III型胶原蛋白在早期胚胎发育和伤口愈合中起着关键作用，因为它与动态和弹性组织相关[2]、[3]。由于其优异的生物特性，胶原蛋白在化妆品、医学和组织工程中有着广泛的应用[4]、[5]、[6]、[7]。然而，历史上从动物组织中提取的胶原蛋白存在许多局限性，包括疾病传播风险、批次间不一致性、供应限制和环境影响[1]。如今，胶原蛋白的生产主要依赖于生物工程技术，即重组胶原蛋白，这种技术具有消除病毒风险、保证工艺稳定性、低免疫原性和优异水溶性等优点[8]、[9]，进一步加速了胶原蛋白在化妆品中的应用，作为有效的保湿剂、抗衰老剂以及提升皮肤弹性和光泽的物质。临床研究证实了重组胶原蛋白在改善皮肤质量方面的有效性，使其成为动物来源胶原蛋白的优越替代品[10]、[11]。

然而，角质层（SC）作为皮肤的最外层，由角质形成细胞和细胞间脂质组成，构成了一个天然屏障，严重限制了重组人胶原蛋白的渗透[12]、[13]。通常，分子量超过500 Da的化合物难以穿透角质层，而分子量超过1000 Da的大分子的经皮渗透则更具挑战性[14]、[15]。因此，高分子量的重组人胶原蛋白在穿透角质层方面面临巨大挑战，其经皮递送应用受到极大限制。

为了提高重组人胶原蛋白的经皮渗透性，已经开发了多种技术，包括主动方法和被动方法[16]。主动方法利用外部能量作为驱动力促进经皮渗透，或通过物理破坏角质层来实现，例如超声波、激光、射频加热和微针[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。然而，这些方法可能会对皮肤造成不可逆的损伤，并存在潜在的安全风险。相比之下，被动方法通过影响药物与载体的相互作用以及改变角质层的结构来增强渗透性，包括化学渗透增强剂和多种递送载体，如纳米颗粒和脂质体[22]、[23]、[24]、[25]。在各种技术中，化学渗透增强剂因其高效性、低成本和对皮肤的长期无损伤而受到越来越多的关注。传统的化学渗透增强剂包括醇类、表面活性剂、二甲基亚砜（DMSO）、脂肪酸和脂肪醇[26]、[27]。这些增强剂通过破坏角质层的紧密结构、增加角质层流动性、提高活性物质的溶解度等方式发挥作用[26]。

表面活性素是一种由枯草芽孢杆菌产生的生物表面活性剂，由一个含有七个氨基酸的环状肽和一个β-羟基脂肪酸链组成[28]。它的两亲性质和穿透脂质双层的能力使其成为一种潜在的绿色且安全的化学渗透增强剂。本研究探讨了表面活性素作为单一经皮渗透增强剂对重组人胶原蛋白III的渗透效果和机制。表面活性素的渗透效果通过体外经皮渗透研究得到验证，并与传统的渗透增强剂进行了比较。在此基础上，使用FTIR、差示扫描量热法（DSC）和扫描电子显微镜（SEM）分析了表面活性素对角质层结构的影响。同时，等温滴定量热法（ITC）分析了表面活性素与胶原蛋白之间的相互作用及其对胶原蛋白热力学性质的影响。这些研究揭示了表面活性素作为绿色高效渗透增强剂在胶原蛋白渗透方面的多重机制。

章节片段

材料

表面活性素和重组人胶原蛋白III（Col III）由Bloomage Biotech有限公司（济南，中国）提供。琥珀酰亚胺酯（TAMRA）和胰蛋白酶溶液购自上海宇源生物技术有限公司（济南，中国）。二甲亚酰胺（DMF）、NaCl、Na₂SO₄、无水乙醇、正辛醇和戊二醛固定剂购自中国药科大学化学试剂有限公司（上海，中国）。磷酸盐缓冲液（pH=6.8，0.1 mol?L^-1）和磷酸盐缓冲液（PBS，pH=7.4）

表面活性素促进不同分子量Col III的经皮渗透性

研究了在没有渗透增强剂的情况下不同分子量Col III的经皮渗透行为。使用TAMRA标记的Col III溶液（0.1wt%）作为测试溶液，相同的缓冲溶剂作为经皮接收溶液。不同分子量Col III的经皮渗透行为如图1(a)所示。可以观察到，分子量最小的Col III（30 kD）表现出最佳的渗透能力。随着分子量的增加，

结论

研究表明，表面活性素是一种高效的重组人胶原蛋白III（Col III）渗透增强剂，其渗透率提高了20.79倍，显著优于传统增强剂。基于FTIR、DSC、SEM和ITC分析，揭示了表面活性素的多重作用机制。表面活性素不仅通过提取细胞间脂质、降低角蛋白结晶度和诱导结构无序来破坏角质层的完整性，还与Col III发生了相互作用

资助声明

本研究得到了国家重点研发计划（2026ZD0622000）和中央高校基本科研业务费（编号JUSRP202404009）的支持。

CRediT作者贡献声明

林博川：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法学、正式分析。孙鑫：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念构思。关长：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法学、资金获取、正式分析、概念构思。李金华：撰写——审阅与

利益冲突声明

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