“我们的论文从接收到发表仅经过一轮评审，大概一个多月的时间。期刊编辑只给了 7 天时间修改相关细节，并在不到 24 小时内顺利通过，这或许与这项研究做得比较扎实密切相关。”重庆大学副教授郝石磊如是说。
审稿人评价称，这项研究提供了 17 种重组人发角蛋白来加速皮肤伤口愈合，并证明它们通过促进上皮再形成和血管生成，来促进皮肤伤口愈合的细胞机制。另一位审稿人则认为，“作者们提供了一项全面的研究，探讨毛细胞角蛋白对角质形成细胞行为和伤口愈合的影响。”
▲图丨郝石磊（来源：郝石磊）
近期，重庆大学团队首次绘制出 17 种人发角蛋白的调控创面修复功能谱，通过系统地研究上皮细胞的迁移在细胞水平的作用机制，揭示出人发角蛋白在创面修复效果的规律（具有差异性），从而能够快速地确定创面修复性能最佳的角蛋白。
值得关注的是，研究人员通过对促表皮细胞增殖及血管新生的作用机制的深入研究，在动物模型体内验证了细胞水平通路，证明通过 RK34 能够应用于慢性糖尿病的创面修复，为角蛋白在创面修复的应用提供了新视角。
该研究不仅为角蛋白的个性化或精准利用提供指导，还为人体组织修复（包括但不限于胃癌、神经修复等）提供了重要的理论基础和实验基础。
01
揭示人发角蛋白创面修复新机制
角蛋白是一种纤维结构蛋白家族，其从类型可分为硬角蛋白和软角蛋白。具体来说，硬角蛋白包括人类和动物的指甲（爪）、头发、角、壳、（鸟）嘴等；软角蛋白主要位于人体皮肤外层，是组成中间丝的重要成分。
人体中总体存在 54 种角蛋白，而头发中的角蛋白数量为 17 种。人发角蛋白在加速伤口愈合方面具有重要的前景。然而，由于高度的序列同源性，很难从它们的亚型中区分特征和机制。
▲图丨不同重组角蛋白基纳米纤维的伤口愈合性能（来源：Advanced Functional Materials）
该课题组通过对人发 17 种角蛋白的重组表达，进一步得出角蛋白复合纳米纤维膜。并且，在动物水平对不同角蛋白复合膜的促创面修复效果进行了深入研究。通过系统地研究上皮细胞的迁移在细胞水平的作用机制，17 种人发角蛋白在伤口愈合速率、表皮再生和血管生成方面具有独特行为和优势。
研究人员发现，不同的人发角蛋白修复性能存在差异，并揭示出 17 种人发角蛋白在创面修复效果的规律，从而能够快速地确定创面修复性能最佳的角蛋白。其中，重组角蛋白（RK）33B、RK34、RK39 和 RK84 在加速伤口闭合方面表现出最高的效率，RK34、RK37 和 RK81 表现出最强的血管生成性能。
通过转录组学分析，研究人员对促表皮细胞增殖及血管新生的作用机制进行了深入研究，并在体内验证了细胞水平通路。也就是说，介导角蛋白能够利用 PI3K/AKT1/mTOR 通路，增进 HaCaT 细胞增殖迁移，并利用 STAT3/HIF-1α/VEGF 途径介导人脐静脉内皮细胞的增殖迁移。
▲图丨17 种人发角蛋白的调控创面修复功能谱，对不同观察时间点的伤口闭合速度进行定量分析（来源：Advanced Functional Materials）
郝石磊认为，将 17 种人发角蛋白全部做出来是研究中最大的挑战。“此前我们也做过其他蛋白，包括酶、膜蛋白等。最让人激动的是，这 17 种角蛋白都表达，我们根据这些功能首次绘制出人发角蛋白调控创面修复功能谱。”经过课题组成员反复讨论，在对比柱状图、折线图等形式后，他们认为“雷达图”的表现效果最佳。
另一方面，该团队对于角蛋白自身特有的活性也进行挖掘。在以往的研究中，国内外课题组已对于蛋白类生物材料进行相关研究，但是，角蛋白本身的结构特点，包括其生理功能尚未明晰。
研究人员通过对比后发现，RK33B 在伤口闭合加速方面的效率最高，但血管生成性能较弱，而 RK84 具有较强的闭合加速和上皮化性能。此外，RK34 具有较强的闭合加速、血管生成和再上皮化等特性。通过建立动物模型，他们还提供了人发角蛋白 RK34、RK81 和 RK31 对糖尿病大鼠具有足够的伤口愈合作用的证据。
▲图丨相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
最终，相关论文以《驱动毛细胞角蛋白在伤口愈合过程中的不同行为的细胞机制》（Cellular Mechanisms Driving the Distinct Behavior of Trichocyte Keratins in Wound Healing）为题发表在 Advanced Functional Materials[1]。重庆大学博士生李文凤为论文第一作者，郝石磊副教授为论文通讯作者。
郝石磊认为，做科研与做产品有“异曲同工之妙”，每一篇论文就像产品说明书，要清楚、明白地展示相关作用机制，也要对相关的作用和意义进行详细“说明”，从而为领域提供相关的指导意义。
02
“独行快，众行远”
角蛋白在 20 世纪 40 至 50 年代曾经”火热“过一段时间，科学家们对角蛋白的生物活性进行了相关探索。在 2008 年左右，美国维克森林大学的科学家从头发中提取角蛋白，作为各方向的组织工程应用。
郝石磊是药剂学的科研背景，在重庆大学分别获得药物化学专业的硕士学位和生物医学工程专业的博士学位，师从王伯初教授。博士毕业后留校任教，并曾作为美国麻省理工学院张曙光课题组的访问学者。在看到角蛋白发展的潜力后，他将研究主要方向聚焦于蛋白质科学和力-生物学，目前已在角蛋白领域研究近十年。
郝石磊指出，“我们团队在角蛋白领域内发表的期刊论文比较多，但是这并不是最终目的。随着研究的深入，我们对角蛋白像拼拼图一样不断地完善认知，因此也对角蛋白产生了更大的敬畏之心。我认为，研究重组角蛋白并不是为了替代提取角蛋白，而是为了帮助更好地提取角蛋白。”
▲图丨重组人发角蛋白的合成及理化特性研究（来源：Advanced Functional Materials）
在郝石磊看来，他的研究可以分为三个阶段，分别为角蛋白新剂型开发、重组角蛋白以及深入挖掘角蛋白特有的生物活性。得益于该课题组蛋白重组表达平台，他与团队慢慢地从仅实现两三种人发角蛋白表达逐步做到 17 种人发角蛋白全部表达。
在从事科学研究的早期阶段，他致力于提取角蛋白用作止血、组织修复等。一方面，把角蛋白做成不同的剂型（用电喷方式制备纳米粒）。另一方面，从废物回收利用的角度，比如从羽毛中提取角蛋白。
他利用人发角蛋白的自组装特性研究了不同类型、数目和时间对重组角蛋白自组装行为的影响，挖掘了人发角蛋白的自组装活性基元，发展出韧角蛋白水凝胶用于药物递送和创面修复[2]。“虽然我们只做了四种角蛋白，但是四种角蛋白的自组装系统也存在差异。这就代表角蛋白与其具体的应用场景有很大的关系。”郝石磊说。
在重组角蛋白方面，郝石磊联合神外专家团队通过解析 17 种人发角蛋白对小胶质细胞 M2 极化的调控影响，证明重组人发角蛋白 RK33A 是最具免疫调控效力的角蛋白亚型；对大鼠 T9 半横断脊髓损伤模型的研究，明确了 RK33A 纳米纤维对大鼠运动功能改善、髓鞘丢失减少和组织新生的影响，有效提高脊柱神经损伤的修复效果[3]。
与此同时，他对角蛋白独有的特质也进行了深入挖掘。受中药血余炭生物活性高的启发，他明确了 17 种人发角蛋白的止血性能差异，通过解析不同角蛋白结构域对其止血性能的影响，发现人发角蛋白的止血性能与其 α 螺旋的含量有关。并且，发现角蛋白止血机制主要是 N 端的 Tyr、Phe 和 Gln 残基与纤维蛋白原作用促进纤维蛋白肽的释放[4]。
▲图丨α 螺旋状角蛋白与纤维蛋白原之间的分子相互作用（来源：Advanced Healthcare Materials）
以单一的人发重组角蛋白为底物，模拟人发角蛋白的还原提取过程，解析角蛋白可溶化变化过程，明确还原反应前后角蛋白分子量、二级结构、化学结构、氨基酸含量和热稳定的影响，并进一步制备可溶性重组角蛋白用于创面修复的治疗性能提升[5]。
此外，在研究过程中郝石磊也发现了课题组的“短板”，即在复杂模型上制备方面具有挑战。因此，他们也更广泛地与临床医生广泛合作，包括神经外科、神经内科、骨科、肝胆科、皮肤科等，以结合更多动物模型、评价机制等。
未来，郝石磊希望将角蛋白的作用机制更多地与各领域结合。与此同时，也计划在机制明确的基础上进行功能角蛋白的理性设计，通过不断地挖掘角蛋白特有的生物特性，来满足临床方面的各种治疗需求。
近年来，随着 AlphaFlold 等新工具的诞生，有望通过化学机制修饰等方法促进更多新型蛋白设计。从更长远的角度来看，整个角蛋白领域可研究的空间仍然很大。郝石磊表示，“在有些领域 17 种角蛋白是一样的，而有些领域则不同，因此其中可能蕴含某种特定规律，需要我们后续进一步挖掘。”
有句话叫做“独行快，众行远”，“针对角蛋白不同的应用方向，也欢迎更多领域的合作者与我们共同推动角蛋白领域的发展。”他说。
参考资料：
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
