機能性タンパク質ベースの生体模倣ナノ材料。結合タンパク質、合成アプローチ、ナノ構造から応用まで

2022年9月2日 16:47

張東1,2、王毅1,2,3,* 著

Int. J. Mol. Sci. 2019, 20(12), 3054; https://doi.org/10.3390/ijms20123054

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概　要

タンパク質ベースの生体模倣ナノ材料（PBN）は、ナノ材料のサイズ、形状、表面化学、天然材料の形態と機能、および様々なタンパク質の物理的および化学的特性の利点を兼ね備えています。
近年、組織工学、ドラッグデリバリー、診断・治療、スマート材料・構造、水の回収・分離など、さまざまな用途でタンパク質を用いたバイオミメティック・ナノマテリアルの開発が進められている。高い生体適合性と生分解性を有するタンパク質ベースの生体材料は、細胞外マトリックスを模倣することにより、損傷後の天然生体の治癒効果を得るために改良される可能性がある。現在、治療が困難な癌などの疾患に対しては、様々な種類の生体材料を用いた新しい治療法が研究されている。高い薬物負荷が達成できる表面修飾を施したナノ材料は、ターゲットやトリガーデリバリーを強化する薬物キャリアとして使用することができます。
環境保護と世界の持続可能性のために、タンパク質ベースのナノ材料は、水処理にも適用されます。有機染料、油物質、複数の重イオンなど、自然水源からのさまざまな汚染物質は、タンパク質ベースのナノ材料に吸収される可能性がある。
本総説では、機能性PBNの形成と応用についてまとめ、そのナノ構造の詳細、関与するタンパク質、および合成アプローチについて言及する。

1.はじめに

数十億年にわたる進化の中で，自然生物は独自の，あるいは卓越した特性を持つ表面を形成するための非常に有効な生物学的機構を発達させてきた。近年，バイオインスパイアード材料の開発は，まず，そのような機構の構造や物理化学的特性の発現を見出し，次に，同様の効果を再現する材料を製造・合成することに依存している[1]．
ナノ材料は、そのサイズとトポロジーから、細胞や組織のコンパートメントへのアクセスを可能にするEPR（Enhanced Permeability and Retention）効果を有すると考えられていた。ナノ材料のサイズ、形状、および表面化学は、物理化学技術によって容易にプログラムすることができ、粒子、繊維、および多孔質スポンジなどのさまざまな構造を形成し、医療や健康分野での応用のためのキャリアや足場として使用することができるナノ材料の効力に寄与する可能性がある[2]。
この流れに沿って、生体模倣の知識とナノ材料技術を組み合わせることで、生体模倣ナノ材料は、生命科学研究において有望視され、大きな注目を集めている[3]。
そのため、その過程で、生体模倣ナノ材料は、天然材料の形態や機能を模倣する取り組みに拍車がかかり、バクテリアに着想を得たナノシステム、ウイルスに着想を得たナノシステム、菌に着想を得たナノシステム、哺乳類細胞に着想を得たナノシステムなど、新世代の生体模倣ナノ材料が開発されました。
ナノ構造を持つ一般的な材料システムには、脂質ベースシステム、多糖類ベースシステム、タンパク質ベースナノ構造システム、ヒドロゲルベースシステムがある。このうち、タンパク質ベースのバイオインスパイアード・ナノマテリアル（PBN）は、物性、安定性、長時間の制御放出、トリガー効果などの長所を兼ね備え、近年、膨大な種類の特定機能材料・構造の実現に大きな効果を発揮している。PBNは、細胞や細菌が関与するナノ材料と比較して、オプソニン化、免疫クリアランス、血管系との交渉などの生体障壁が少なく、臨床使用における効率性と安全性に優れていることが提案されている。PBNは、その複雑な3次元分子構造とユニークな配列特性から、医学、生物工学、環境工学、電子工学、情報工学などの分野で広く利用されている。
PBNは大きく分けてナノ粒子とナノファイバーの2種類があり、ドラッグデリバリーや組織再生、環境工学などに広く応用されている。リン酸カルシウムナノ粒子、金ナノ粒子、ナノダイヤモンドなどのナノ粒子ベースのドラッグデリバリービークルは、ミネラル化の促進や骨細胞の活性化を通じて骨疾患の治療に独自の利点があることが実証されている。精密な薬物送達のために、PBNはpH勾配、酸化還元電位、および選択的な酵素反応に基づいて、標的領域に薬物を特異的に放出することができる。pHに敏感な脂質とタンパク質を組み合わせた自己組織化構造，荷物の特定の疎水性相互作用，および直接ターゲティング受容体のトリガーなど，特定の破壊メカニズムがPBNの薬物放出を特定しました[4,5]。PBNナノファイバーは、生体組織の細胞外マトリックス（ECM）を模倣することができ、新しい組織再生のための理想的な足場構造と物理的特性を備えています[6,7,8]。タンパク質生体模倣材料を用いた幹細胞ベースの組織再生の模式図を図 1 に示す。タンパク質の分子構造と相互作用、ナノファイバーのサイズと多孔性、および微小環境は、in vitro および in vivo での組織再生に完全性、生体適合性、および遅い生分解速度を提供します。バイオインスパイアード・ナノファイバーに薬剤を充填した刺激応答性ナノ粒子をカプセル化すると、局所環境をうまく操作して、組織再生のために細胞の増殖と分化を制御することができます[9,10]。ポリマーナノファイバー膜は、水ろ過の用途でよく研究されている材料である[11]。ナノ膜のサイズとイオン親和性は、環境工学の様々な応用に大きく貢献する可能性がある。

したがって、PBNは、例えば、サイズ、電荷、親水性、構造、組成などの異なる物理的・化学的特性により、組織再生（表1）、ドラッグデリバリーなどの生物学的活動や、環境工学における水質浄化など様々な用途に利用されています。しかし，PBNの構造とその応用との関係については，まださらなる探求が必要である。本総説では，現在の文献資料に基づいて，機能性PBNとその潜在的な用途および限界についてまとめる。

2.組織再生のためのバイオミメティック材料

2.1.骨再生
2.1.1.コラーゲン系ナノ材料
コラーゲンは、人体に最も多く存在するタンパク質であり、細胞の接着、増殖、分化に適しています。組織工学の研究において広く使用されている。キトサン（43）、ハイドロキシアパタイト、アレンドロン酸（44）は、それぞれコラーゲンと結合し、整形外科組織修復用の足場材を形成した。この足場は、より大きな孔径、より高い気孔率、より高い圧縮弾性率、およびより大きな吸水能力を示した。この足場は、間葉系幹細胞（MSC）の増殖と分化をより迅速に行うことができる。
骨の細胞外マトリックスからヒントを得て、オステオカルシン-フィブロネクチンをコラーゲンと融合させた新しいタンパク質性ハイブリッドマトリックスが得られた。作製後、この生体材料は幹細胞の接着を促進する能力を維持し、構造安定性は1ヶ月以上まで改善された。そして、頭蓋欠損のin vivo骨再生を6週間以上改善できることが示された[8]。
骨形成タンパク質-2（BMP-2）由来の合成P24ペプチド（24アミノ酸）を、ナノハイドロキシアパタイト／組み換えヒト様コラーゲン／ポリ（乳酸）複合足場にそれぞれ4用量ずつ担持させました。in vivo実験の結果、P24ペプチドを添加した足場は、ラットの骨誘導と骨再生を用量依存的に有意に増加させることが明らかになった[12]。
二相性リン酸カルシウムナノ粒子とコラーゲンを複合化し、生体親和性の良い足場マトリックスを作製した。これは、デキサメタゾンの放出を制御し、ヒトMSCの骨形成分化を促進することができた。In vivo実験では、この新しい足場が、無胸腺ヌードマウスの背骨における異所性骨組織の再生を促進することが示された[45]。

2.1.2.血清アルブミンベースのナノ材料
血清アルブミンのコーティングは幹細胞の接着と増殖をサポートすることが知られており、血清アルブミンをコーティングしたバイオマテリアルは細胞移植のためのビークルとして使用することができる[46]。その結果、2種類のウシ血清アルブミン（BSA）ベースのナノ材料を作製したことが報告されている。1) リン酸オクタカルキムと酸化グラフェン/キトサンを用いたBSA-Agナノ粒子、2) ペンタペプチドグリシン-アルギニン-グリシン-アスパラギン酸-セリングラフトBSAフィルムの2種類を作製した。その結果、2つのバイオマテリアルはいずれも骨芽細胞の進行を有意に促進し、生体適合性を向上させることが示された[13]。

2.1.3.ゼインベースナノマテリアル
ゼインは，その特異なアミノ酸配列により，水に不溶である．ゼインは，リン酸カルシウムを成長させるための鉱化テンプレートとして利用することができる．機械的強度を高めたフィルムは，線維芽細胞の付着，拡散，増殖に適した環境となり，ゼインベースのフィルムが骨再生のための生体模倣型足場として機能することが示唆された[14]．フィルムとしての役割以外にも、生体模倣ゼインポリドパミンベースのナノファイバーは、骨再生における可能性を示した。まず、骨形成タンパク質-2（BMP-2）を酸化チタンナノ粒子に結合させ、標的部位での滞留時間を延長させることができた。次に、BMP-2を結合させたゼインポリドパミンとTiO2ナノ粒子の作製をエレクトロスピニング法により行った。このナノファイバーは、胎児骨芽細胞の接着、ミネラル化、および分化を改善した[15]。

2.1.4.シルクベースナノマテリアル
シルク由来のタンパク質も骨再生用途に使用された。二相性のシルクフィブロイン足場が形成され、異方性および等方性の機能化ヘパリンを統合した足場は、腱/靭帯マーカーの発現とコラーゲンIタンパク質の含有量を増加させることができることが示された。TGF-β2とGDF5の両方を投与すると、等方性多孔質足場は軟骨マーカーの発現を増加させ、コラーゲンIIタンパク質の含有量を増加させました[16]。
絹フィブロインとカルボキシメチルセルロースからなる生体模倣型ナノファイバー足場が形成された。また，フィブロイン/セルロース足場は，純シルクフィブロイン足場と比較して，高い接触角と吸水容量があり，優れた細胞支持性を示した．この足場は、核生物活性リン酸カルシウムへのバイオミネラリゼーションによって、骨形成分化を促進した[17]。
Antheraea pernyiカイコからのシルクセリシンは、セリンとチロシンの割合が低く、親水性であった。新規なナノファイバーとして、ハイドロキシアパタイトの結晶核形成能力を評価するために使用されました。その結果、このバイオインスパイアード・ナノファイバーは、骨MSCの接着と増殖を刺激することが示唆された[18]。

2.2.心筋細胞の再生

心筋梗塞後、心筋細胞は再生しないため、心筋梗塞（MI）は死亡率の主要な原因となっている。心筋梗塞を治療し、死亡を回避するために、足場は心筋組織の再生に有用である。
シルクフィブロインベースナノマテリアル
桑以外のインド熱帯産のタッサーカイコから分離したシルクフィブロインを用いて、パターン化したシルクフィルムを作製し、等方性および異方性の足場を開発して、MIを治療することに成功しました。絹フィブロインフィルムは、心筋組織の再生に役立つ3D絹細胞単層の形成を促進できることが示された[19,21]。
キイロスズメバチの絹繭のタンパク質を濃縮塩溶液に溶解した。キャスティングにより膜を形成し，膜の機械的特性を評価した．選択された4つのタンパク質のうち、Vssik1とVssik2のフィルムは、細胞接着に著しい改善を示した[20]。
ポリ（グリセロールセバケート）／フィブリノーゲン／血管内皮増殖因子（PGS／Fib／VEGF）スキャフォールドにヒト骨MSCを移植した。免疫組織化学の結果、心筋マーカータンパク質であるトロポニンとアクチニン、内皮細胞マーカータンパク質であるCD31が移植された足場に発現していることが示された。PGS/Fib/VEGF足場は、MSCsの心筋細胞および内皮細胞への分化を促進した[22]。

2.3.角膜組織再生

角膜失明症は、世界中でおよそ1000万件の視力喪失の原因となっている[47]。現在、完全に機能する角膜コンストラクトの製造は、まだ成功していない。角膜内皮細胞の増殖と分化を支援するバイオマテリアルベースの足場は、病気や損傷を受けた角膜内皮細胞を修復し、機能的な角膜構築物を形成するための解決策となる可能性があると思われる。
シルクベースナノマテリアル
シルクベースのフィルムは、透明性、機械的完全性、生体適合性、および遅い生分解性などの利点を有する。これまでのところ、シルクフィルムは、幹細胞の接着と増殖をうまく促進できることが実証されている。しかし、角膜組織再生に必要な角膜線維芽細胞と内皮細胞の両方の増殖をサポートすることは、依然として課題である。シルク材料と固有の光学的透明性の融合は、有用なフィルムを生成するための新しいアプローチを提供する[23]。
シルク生体材料は、細胞接着を媒介するフィブロネクチン内のトリペプチドArg-Gly-Aspであるアルギニルグリシルアスパラギン酸（RGD）により生体機能化された。RGDで修飾されたシルク表面は、細胞の接着、増殖、配列、コラーゲンやプロテオグリカンの発現を促進することができました。この多孔質で透明なRGD結合シルクタンパク質足場は、角膜組織工学のための戦略を実証した[24]。
絹フィブロインとポリエチレンオキサイドの混合溶液をポリジメチルシロキサン（PDMS）基板上にキャストして、異なる厚さのフィルムが得られました。このフィルムにヒトおよびウサギの角膜線維芽細胞を播種し，角膜細胞に特徴的なタンパク質の量を測定した。その結果，2μmのフィルムは，ヒトおよびウサギの角膜線維芽細胞の接着と増殖を最適に促進することがわかった[23]。
角膜内皮細胞（CEnC）の特異的機能を維持するために、β-カロテン（β-C）を絹フィブロイン（SF）と混合して足場材を形成させた。このβ-C/SF足場は、SF足場と比較して、機械的特性、親水性、透明性が向上していることがわかった。また、β-CはCEnCのATPaseポンプ機能を向上させることがわかった。この結果は、β-C/SFスカフォールドが移植に適した代替角膜内皮である可能性を示している[25]。
また、SFにリゾホスファチジン酸（LPA）を添加した生体材料も移植に使用された。この足場材に含まれるLPAは、損傷した角膜で放出されることになる。この足場は、元のSF膜の諸特性を大幅に改善しながら、線維芽細胞、ケラチノサイト、内皮細胞の増殖を促進することが報告された。また、角膜内皮細胞の特異的な遺伝子やタンパク質の発現により、LPA/SF足場での角膜組織再生が確認された[26]。

2.4.軟骨形成組織再生

アルブミンベースのナノ材料ゼラチンは、皮膚、骨、軟骨、靭帯などから抽出されたコラーゲンを部分的に加水分解することで生成されるタンパク質である。ゼラチンの構造と生体適合性から、幅広い生物医学的用途に利用されている。ゼラチンとアルブミンをブレンドして、タンパク質ベースの3次元多孔質足場が作製された。一方、2つの成長因子、TGFβ3およびTGFβ2をそれぞれ足場に加えた。この足場材の軟骨分化能を測定した。その結果、TGFβ3結合ナノ粒子は、軟骨細胞の培養に適した環境を提供することが示された[27,28]。

2.5.血管組織再生

血管組織の再生は、虚血症状の緩和や低酸素・再灌流・毛細血管漏出による臓器障害の予防を目的とした治療法として研究されている。しかし、遺伝子治療や低分子化合物によるアプローチはほとんど失敗している。血管組織の機能や再生を促進する生体材料補助療法は広く研究されており、血管疾患治療への可能性を持っている[48]。

2.5.1.エラスチンベースのナノマテリアル
組み換えエラスチン様ポリマーは、ECMを模倣する性質があるため、ドラッグデリバリー用途や損傷した弾性組織の修復のために研究されてきた。組換えヒトエラスチン様ポリペプチド（HELP）は、組換えポリマーにグルタミンとリジンの架橋部位を挿入することにより得られた。このHELPは機械的強度が向上していた。また，ヒト臍帯静脈内皮細胞に対する細胞毒性試験も行った[29,30]．

2.5.2.フィブリンベースのナノマテリアル
最近、3Dフィブリンナノ材料をベースとした微小環境は、TGF-β1などの関連成長因子を刺激することによって血管新生促進能力を示すことが、関連実験で成功裏に示された。TGF-β1は、MSCの筋原線維への分化を促進し、血管構築物の機械的特性を向上させることができた。その結果、3DフィブリンマトリックスにTGF-β1を結合させると、数日間フィブリン包埋細胞の活性化Smad2シグナルを誘導し、血管収縮力を増加させることが明らかになりました[31,32]。

2.5.3.シルクベースナノマテリアル
一方、最近の研究では、足場として、シルクベースの生体模倣材料が血管新生を促進するために使用される可能性があることが示された。シルクベースの不織布βシートフィブロインは、孔径150μm、空隙率90％、吸水率85％という特性を有している。このフィブロインは、血液適合性に優れ、ヒト細胞の接着性に優れ、展着性、移動性が良好であった。また、血管新生を促進する一酸化窒素の合成を改善した[33,34]。

2.6.神経再生

神経再生医療は，脳を含む中枢神経系の損傷を修復・置換するための有望な戦略である．この分野では，粘弾性特性を有するPBNが神経再生に潜在的な活性を示すことがわかった[35,37]．

2.6.1.フィブリンベースのナノマテリアル
エレクトロスピニングと分子自己組織化により、フィブリンが階層的に配列した3次元ナノファイバーハイドロゲルを作製した。このフィブリンハイドロゲル上でシュワン細胞（SC）および後根神経節（DRG）を培養し、ラットの神経欠損部に移植した。その結果、フィブリンベースのハイドロゲルは、SCの増殖と移動、および軸索の再生を促進することが確認された[36]。

2.6.2.鶏アルブミンベースのナノ材料
高いプロトン伝導性を有する天然の鶏アルブミンをカップリング電解質膜として用い、有機／無機ハイブリッド型シナプスデバイスを作製した。このアルブミンベースのシナプスデバイスは、ペアパルス促進、ダイナミックフィルタリング、短期記憶から長期記憶への移行などの機能に成功した[38]。

2.7.皮膚・筋の再生

2.7.1.エラスチンベースナノマテリアル
皮膚損傷の治療には、本来の皮膚の物理化学的特性を模倣することが不可欠であった。エラスチンは、構造タンパク質として、皮膚ECMの主要な構成要素の一つである。エラスチンは，天然の生体適合性を有しており，組織工学において広く用いられている[39]．
ゼラチン、酢酸セルロース、エラスチンを含む足場をエレクトロスピニングで作製し、線維芽細胞の接着と増殖を促進したことが報告されている[40]。
多くの細胞応答は、バイオマテリアルの表面の特徴を細胞が認識することによって引き起こされ、シグナル伝達カスケードにつながる。細胞によって特異的に認識されるHELPは、表面コーティングタンパク質として応用することに成功している。機能性タンパク質である2種類のHELPを生体材料の表面に配置し，コーティングした生体模倣材料は，H9c2筋芽細胞の増殖と分化を改善した[41,42]．

2.7.2.コラーゲンベースナノ材料
海洋性コラーゲンであるティラピア皮コラーゲンスポンジは、その豊富さ、ヒト皮コラーゲンとの構造の類似性、安価さなどから注目されている。ティラピア皮膚コラーゲンスポンジとオリジナルのコラーゲンナノファイバーをエレクトロスピニング法により作製し，in vitroとin vivoの両方で皮膚再生誘導能を調べた[49]．傷口からの感染を防ぐために、抗菌性のある生物活性ガラス（BG）をティラピア・スキン・コラーゲン（TSC）にエレクトロスピニングで組み込んだ。ヒト角化細胞、ヒト皮膚線維芽細胞、および内皮細胞を選び、TSC/BGナノファイバーの使用法を研究した。In vivoの実験は、in vitroで実証された結果と一致した。TSC/BGナノファイバーは、より速い皮膚再生を示したのである[50]。TSCを機能化するもう一つの戦略は、異なる分子量のキトオリゴ糖（COS）、アルギン酸ナトリウム（SA）、およびTSCを、架橋剤として1-エチル-3-（3-ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩を用いて作製することであった。関連するin vitroの実験では，様々な有益な特徴を持つこの化合物が，皮膚組織の環境を模倣できることが示された[51]．
キトサン（CS）もまた，バイオマテリアルの形成のために，コラーゲンと混合するために使用された．まず，正に帯電した CS が，負に帯電した I 型コラーゲンと層状自己組織化により混合し，コーティング二重層を形成した．このコーティング二重層は、ポリカプロラクトン（PCL）/セルロースアセテート（CA）を共電子スピンしたナノファイバマトリックスと共役した。PLC/CAナノファイバマトリックスの改質は、初期のナノファイバマトリックスよりも高い創傷回復率および分解率を示した[52]。

2.8.歯科組織再生

う蝕は，通常流行している感染症として，世界中の人口の半数以上が悩まされている．従来の根管治療では、歯の感度が失われ、二次感染に罹患しやすくなる。したがって，歯髄ECMを生体工学的に利用することは，歯髄組織の限られた再生能力を強化するために大きな可能性を秘めている[53]．

2.8.1.シルクベースナノマテリアル
絹フィブロインベースの足場材料を用いて，歯髄幹細胞（DPSC）を植え付け，その増殖性を確認することにより，歯髄再生への可能性を検討した．組織再生を誘導するシグナル分子である塩基性線維芽細胞増殖因子（bFGF）を絹フィブロイン足場材に凍結乾燥により作製し、この足場材に歯髄幹細胞（DPSC）を植え付けた。植え付けたDPSCはbFGFによって増殖が促進されることが確認された。新たに生成した組織では、象牙質様の組織形成と血管の分布が観察された[54]。

2.8.2.コラーゲンベースナノ材料
DPSC を 6 種類の生体材料上で培養した。12 週間後、細胞の分化と成長を、X 線写真、組織学的、免疫組織化学的評価により解析した。非コラーゲン性の細胞外マトリックスタンパク質であるDMP1（Dentin matrix protein 1）は、DPSCの歯芽細胞様細胞への分化を促進するシグナル因子であることが証明されている。そこで、DMP1をコラーゲン足場に含浸させたところ、新たに再生された象牙質の強いantidentin sialoproteinのシグナルが検出された。このことは、DPSC、DMP1、コラーゲンスカフォールドの構成要素が歯内膜穿孔の修復に有用であることを示唆するものである[55]。
特定の幹細胞に対して最適な細胞増殖、移動、および分化マトリックスを提供するために、複合ECMがシミュレートされることになる。ナノ材料は、I 型コラーゲンとキトサンを 1:1 の比率で混合し、ハイドロキシアパタイトの核形成を促進した。このナノ材料に、DPSCと歯根膜幹細胞（PDLSC）をそれぞれ20種類以上の成長因子とともに植え付けた。その結果、DMP1、デスモプラキン、プロテイン・デカペンタプレギックの3つのタンパク質の存在が、細胞分化の生物活性をもたらすために重要であることが示された[56]。

3.フィルムの引張強度や柔軟性などの機械的特性を向上させるバイオミメティック材料

一般に、天然由来のタンパク質で形成されたフィルムは、外観や透明性、伸張性、引張強度などの機械的性質に欠点がある。そこで、タンパク質に官能基を導入することで、高い引張強度、強い柔軟性、広い被覆面積といった特性を強化することが可能となる。

3.1.BSAベースフィルム

タンパク質ベースのナノ多孔質フィルムは、環境工学や生物医学工学の分野で数多くの応用が期待されています。バクテリアのバイオフィルムにヒントを得て、タンパク質のフィブリル化とBSAの逆透析を組み合わせたプロセスにより、BSAベースのフィルムが製造された。このフィルムは自立性、生分解性、無毒性であり、厚さを調整でき、高い透明性を持ち、様々な溶液中で顕著な耐久性を示した。アミロイドナノフィブリルベース材料と同様に，BSAフィルムは，ナノ材料，有機色素，重金属イオン，酵素を含む多様な物質に対して優れた吸着性を示した[57]．

3.2.大豆ベースの複合フィルム

一般に、再生可能資源に基づく材料は、親水性基を多く含むため、機械的および物理化学的特性が劣ることが知られている。そこで，水溶性大豆多糖類（SSPS）をマトリックスとし，カテコールで機能化した分離大豆タンパク（SPI-CH）を接着剤成分として複合化した．得られたポリマーは、機械的特性が著しく向上した。引張強さは，未修飾のSPIフィルムの2.80 MPaから修飾したフィルムの4.04 MPaに増加し，44%向上した[58]．
ポリ（ドーパミン）（PDA）修飾微結晶セルロース（MCC）をSPIと組み合わせることで，引張強度を向上させることができた。接着層であるPDAは、PDMCCを形成するためにMCC上にコーティングすることができた。PDMCCとSPIの界面接着のため、引張強度はSPIフィルムより82.3%改善された[59]。
SSPSと組み合わせたSPI-CHとPDMCCと組み合わせたSPIを比較すると，PDMCCを用いることで，未修飾のSPIフィルムからより高い引張強度の向上が見られた。

3.3.イカの吸盤輪歯のタンパク質を利用したフィルム

イカ吸盤輪歯のタンパク質は，光架橋フィルムの作製に広く用いられ，ほとんどの天然および合成ポリマーフィルムの機械的特性を上回った。組み換えイカの吸盤の歯のタンパク質は、ナノパターン化された表面や光架橋フィルムなど、さまざまな構造的・機能的材料に工学的に応用された。
生物学的構造に触発された新材料のエンジニアリングは、天然材料の分子特性評価と、その分子設計を広範な生物学的触発材料に効果的に変換することを容易にする[60]。

3.4.鶏卵白（CEW）ベースのフィルム

5,6-ジヒドロキシインドール（DHI）が自発的に、元々マトリックスであったCEWを簡単な加熱により不溶性のハイドロゲルに変換することができる。黒色で水溶性、加工性の高い人工バイオメラニン（ABM）フィルムが製造でき、エレクトロニクスやバイオメディカル用途に表現的に利用できる[61]。

3.5.シルクベースフィルム

節足動物のキューティクルのキチン/タンパク質複合体の視覚的透視と複合化の特徴に触発されて，絹フィブロインがフィルム製造のためにキチンとの複合化を検討した。分子レベルの寸法適合性から、キチンナノファイバーと絹フィブロインの結合を促した。このハイブリッド材料は、スマートコンタクトレンズのような電子機器やウェアラブル機器への新たな応用のための機能的／構造的構成要素として有用であることを実証した[62]。
シルクフィブロインフィルムの柔軟性をさらに向上させるために、グリセロールなどの可塑剤を水に溶かし、シルクフィブロインと混合してさらに反応させた。グリセロールは，絹フィブロイン鎖の水和において水に代わるようであり，フィルムにおけるらせん構造の初期安定化につながった[63]．

3.6.ビターベッチタンパク質ベースフィルム

ビターベッチタンパク質をフィルム製造に使用した。正に帯電したスペルミジンを含むフィルムは、単独または少量のグリセロールで高い引張強度を示した。スペルミジンは一次および二次可塑剤として機能する。タンパク質とイオン的に相互作用し、タンパク質鎖に沿った分子間力の減少を促進し、その結果、フィルムの柔軟性と伸展性を向上させる。フィルム透過性試験で確認されたように，スペルミジンと低濃度グリセロールはともにガスと水蒸気のバリア性を向上させた[64]。

4.薬物送達のためのタンパク質ベースのナノ粒子

タンパク質ベースのナノスフェアは、その構造、機能性、生体適合性、生分解性、無毒性から、様々な種類のドラッグデリバリーのためのキャリアとしてしばしば使用されている。

4.1.抗がん剤デリバリー

ここ数十年、癌は人間の健康に対する最大の脅威の一つである。ナノ粒子は、pH感受性構造、疎水性相互作用に基づく構造、受容体による直接破壊など、多くのトリガーリリース機構を備えており、抗がん剤をがん細胞へ正確に放出することができる。その例を表2に示す。

4.1.1.血清アルブミンベースナノパーティクル
PBNは、in vitro抗腫瘍活性およびCTイメージングの研究に応用された。ゲムシタビン（Gem）を担持した金ナノスフェアーとウシ血清アルブミン（Au@BSA）の相互作用を利用して、1つのナノ粒子を調製した。Au@BSA-Gemは、ヒト肺がん細胞への効果的な薬物送達を示した[65]。
また、金（Au）は、均一なコアシェル金ナノロッド/血清アルブミン（NR@SA）ナノプラットフォームにも使用された。この構造は、遊離の SA の吸着が少なく、より高い薬物負荷容量を有していた。そして、光音響信号に対してより敏感であったため、癌細胞の検出に使用することができ、癌診断に応用することができる[66,67,68]。
アルブミン結合ドメインとレグメイン基質ペプチドとトリコサンチン（TCS）遺伝子との遺伝子融合により，SAを用いた新しいインテリジェントヒッチハイクシステム，が開発された．乳がん動物モデルで抗腫瘍活性を評価したところ、単一遺伝子治療と比較して明らかな改善が見られた[69,70]。
ヒドラジン修飾BSAに脂肪族アルデヒド官能基化コポリマーを可逆的なピリジルヒドラゾン結合を介してバイオコンジュゲートし、ナノ粒子を作製したことが報告された。物理的、化学的、生物学的刺激に応答して、ナノ粒子はその構造を変化させることができる。一方、この高分子タンパク質は、温度感受性とグルタチオン（GSH）応答性の特徴を示した。このナノ粒子を用いてドキソルビシン（DOX）をカプセル化すると、抗腫瘍活性を示すことがわかった[71,72,73,74]。
また、ヒスタミンを用いたアミド反応によるBSAの表面改質により、BSAベースのナノ粒子を取得した。このナノ粒子は、in vitroおよびin vivoの実験において、乳がんの治療に有効であった。そして特に、グリコルトランスフェリンを導入したナノ粒子は、P糖タンパク質を介した薬物排出をバイパスして減少させ、多剤耐性乳がんに対して、遊離の薬剤と比較してより効果的な治療につながった[75,76]。

4.1.2.シルクベースナノパーティクル
野生のカイコの糊状タンパク質であるシルクセリシンを用いて、ヒドロキシルアパタイトをカプセル化した。この絹タンパク質ベースのナノキャリアは、酸性条件下での薬物送達に優れていることが示された[77]。

4.1.3.膜タンパク質ベースのナノマテリアル
生体模倣技術に触発され、「秦の始皇帝の兵馬俑」を用いて、人工キメラエキソソームを設計した。合成リン脂質二重膜に様々な細胞膜タンパク質を集積させ、ナノマテリアルを構築した。赤血球由来のハイブリッド膜タンパク質CD47は、貪食を回避し腫瘍組織への集積を増加させる重要な役割を担っており、薬物キャリアに添加された。このナノ材料の改変により、より高い腫瘍集積が得られ、動物モデルにおいてより優れた抗腫瘍治療効果が示された[78]。

4.2.血管疾患に対するドラッグデリバリー

動脈硬化性心疾患や虚血再灌流障害などの血管障害は、様々な健康問題を引き起こし、重篤化したり、致命的となる可能性がある[79]。血管障害の治癒率を向上させるために、効果的な治療のための新しいバイオマテリアルの開発が急務となっている。
アルブミン、SPARC（secreted protein acidic and rich in cysteine）などのアルブミン結合タンパク質および糖タンパク質60（gp60）を用いて、血液脳関門（BBB）透過性のナノ粒子が合成された。SPARCとgp60は、BBBを透過するための官能基として機能する。パクリタキセル（PTX）とフェンレチニド（4-HPR）を選択し、BBBを通過する能力を持つアルブミンベースのナノ粒子でカプセル化した。さらに、PTXと4-HPRのデュアルデリバリーは、臨床試験において腫瘍の成長に対してプロアポトーシス効果を示した[80]。

4.3.関節リウマチ（RA）に対するドラッグデリバリー

関節リウマチ（RA）は、最も一般的な慢性自己免疫疾患の一つである。関節リウマチは、最も一般的な慢性自己免疫疾患の一つであり、治療に対する反応性を低下させるために、ナノ粒子を用いた関節への標的送達が必要である。メトトレキサート担持ヒト血清アルブミンナノメディシン（MTX@HSA NMs）をマウスのコラーゲン誘発関節炎（CIA）に注入すると、炎症を起こした関節に高い薬剤集積と長い滞留時間を示した [81]（The injection of methotrexate-loaded human serum albumin nanomedicines in the collagen-induced arthritis）。

5.機能性材料-接着剤

近年、天然素材を用いた水中用接着剤の開発が大きく進展している。その例を表 3 に示す。しかし，動的乱流下での界面の開発には，まだ大きな課題がある[82,83]．

5.1.ムール貝タンパク質を用いた材料

Mytilus galloprovincialis の mussel foot protein (Mfps) と CsgA (大腸菌の接着性キュリー繊維の主要サブユニットを構成するアミロイド生成タンパク質) タンパク質を融合して、自己組織化ハイブリッド分子繊維が得られた。CsgA-Mfp3およびMfp5-CsgAの遺伝子融合体は、優れた接着能力を持ち、pH 7以上でより優れた自動酸化耐性を示すという相乗的な特徴を有していた。繊維の接着エネルギーは20.9mJ/m2近くあり，これまでに報告されているバイオ由来のタンパク質系水中接着剤の最大値より1.5倍大きい[82]．

5.2.血清タンパク質を用いた材料

ポリスチレン（PS）は、様々な形状に容易に成形でき、透明性、物性に優れていることから、細胞培養用プレートとして広く使用されてきた。近年、ハイドロキシアパタイト（HAp）を血清タンパク質吸着層に結合させたコーティングシステムが開発された。タンパク質層によって処理されたPS基板は，ヒト血清アルブミン（HSA）とヒト免疫グロブリン（Ig）Gの吸収量が大きく増加した[84]．

5.3.BSAを用いた材料

粘着性を有するバイオミメティック材料は、色素を除去するために使用することができる。還元剤および安定化剤としてのBSAは、二機能性吸着剤-触媒ヘミン-グラフェン上で合成された。有機染料はこの材料の表面に吸着され、ヒドロキシルラジカルを生成して染料の分解が行われた[85]。

6.その他の応用例

6.1.ウィッグ

アルギン酸ナトリウムと南極クリルタンパク質の複合繊維は、人毛と類似の結晶構造を持つ。優れた染色性と独特の溝面を持つ人工繊維は、合成ウィッグの分野での実用的価値を提案した[86]。

6.2.診断

癌の早期診断は、癌患者の生存率を高めることができる。ジアトリゾ酸（DTA）は、ワンポット合成プロセスによって、BSA ベースの金ナノ粒子に結合させた。このナノ粒子は、がん細胞に対するCTのイメージング効果を向上させ、より早い段階で検査することができた[87]。
バイオチップは、抗原と疾患の進行をモニターするために設計された。バイオチップの一種は、患者のボレリア・バーグドルフェリ抗原、フラジェリン、外表面タンパク質C、および可変主要タンパク質様配列に対する血清IgGおよびIgM抗体の同時検出用に特化したものであった。最近、金表面をN-succinimidyl 4-(maleimidomethyl)cyclohexanecarboxylate (SMCC) で修飾することによりバイオチップを改良しました。検出能力が向上したことで、バイオチップは臨床応用においてより大きな可能性を持つことになるであろう[88]。

6.3.スマートパッケージング

再生シルク（RS）ナノフィブリルをベースにした機械的に堅牢で温度感受性の高い生体模倣膜材料は、スマートパッケージングの有力な候補であった。RS ナノフィブリルは、単細胞真菌発酵後のβシート含有量の高い RS 溶液から抽出されたものである。スマートパッケージングとして，この生体模倣膜は食品保存の温度をインテリジェントに調整することができた[89]．

6.4.大気中の水の収集

乾燥地域において、効率的な大気中の水の採取を実現することは、地域の飲料水の供給と水質の改善にとって大きな意義がある。ナミブ砂漠の湿った空気から水を集めることができるステノカラカブトムシにヒントを得て、大豆タンパク質ベースのナノフィルムを形成し、ゼオライト・イミダゾレート骨格の結晶成長をダイナミックに制御するために使用した。ステアリン酸で修飾した後、マイクロ/ナノ結晶は疎水性になった。そして，霧の水は膜の表面に吸収された[90]．

6.5.水の浄化

地球上に水は豊富にありますが、淡水資源は不足しています。そのため、淡水の貯蔵は社会的な関心事となっている。膜分離は、真水を生産する方法として最も一般的に受け入れられていた。生きている細胞に埋め込まれたアクアポリン（AQP）は、高い水の輸送速度を示した。そこで，水分離と淡水製造の速度を上げるために，膜内の有効かつ任意の水輸送チャンネルとしてAQPが選択された[91]．
シルクナノフィブリル（SNF）とハイドロキシアパタイト（HAP）の自己組織化とin situバイオミネラリゼーションにより，高次構造のナノポーラス多層膜が作製された（シンプルかつ迅速で，低コストなプロセスである）．この膜は高いフィルター効率と高い分子負荷容量を示し，水の処理能力を向上させることができた[92]．

7.結論

本総説では，様々な機能性PBNの形成と応用についてまとめ，そのナノ構造，関与するタンパク質，合成アプローチの詳細について取り上げた。表 1 は、タンパク質ベースのナノ構造に挿入することができる組織再生のための成長因子のリストです。表 2 は、抗癌剤の標的送達に応用された様々な種類のタンパク質ベースのナノ粒子を示しています。表3は、バイオインスパイアード接着材料の特性と応用を分類したものである。
バイオインスパイアード・ナノ粒子で検索すると、ナノ材料の合成、特性評価、応用を研究した約500の文献がヒットするが、タンパク質ベースの機能性ナノ材料の応用、およびナノ構造、機能性タンパク質結合、応用の間の関係についてレビューした論文はほとんどない。PBNの応用は、組織再生、精密ドラッグデリバリー、水質浄化、回収など、幅広い戦略的領域に及んでいる。これまで、多くの新材料が開発されたものの、そのメカニズムはほとんどわかっておらず、PBNのさらなる発展を阻む可能性がありました。私たちは、機能性PBNが医療、生体工学、環境保全の分野で明るい未来をもたらすという信念を持ち続けています。

8.課題と将来展望

自然界の構成要素を模倣するバイオインスパイアードシステムは、汎用性が高く革新的である。ここ数年、様々なバイオインスパイアードシステムの開発が行われている。生物活性成分や機能性成長因子と結合したタンパク質ベースのナノ粒子は、組織再生、精密ドラッグデリバリー、環境工学のための有望なアプローチである。
現在、怪我や老化、病気による臓器不全の治療には、外科的な移植が一般的な戦略の一つとなっています。しかし、移植された臓器は術後感染症にかかりやすいという問題があり、それを克服するために、自家組織再生が期待されています。したがって、物理的、化学的、電気的、生物学的特性を制御した高度な生体材料を設計することは、機能的な組織の形成を促進するために有益である。
がん標的治療薬は、さまざまな腫瘍の治療法を改善する可能性を提供した。PBNはサイズが大きく、充填量も多いため、抗腫瘍剤の濃度と滞留期間を腫瘍部位で制御することが可能である。また、抗がん剤の放出が制御されているため、正常な細胞や組織に対する細胞毒性も最小限に抑えることができる。このように、PBNは将来のがん治療に対して新たな知見を提供するものである。
また、生体模倣型バイオマテリアルは独立したものではなく、遺伝子工学など、より強力な技術を開発するために組み合わせることができることも特筆すべき点である。分子生物学と機能ゲノミクスは何十年も前から研究されており、合成生物学のツールを使って、新しい生物模倣型材料に取り入れることができるだろう。学際的な応用は、材料設計の新しい可能性を切り開くかもしれない。

著者による寄稿
D.Z.とY.W.は論文構成を設計し、D.Z.は文献調査を行い、D.Z.とY.W.は論文を執筆した。

資金提供
本研究は、深圳基礎研究（分野配置）プロジェクト基金（JCYJ20170413154810633）、香港一般研究基金（GRF）（PolyU 153343/16P）、香港食品衛生局保健医療研究基金（HMRF）（03144126、05161016）、香港理工大学中央研究基金（4-BCA8、G-UA4C、G-YBJ7、G-YBU1）により資金提供されています。

謝　辞
国家漢方分子薬理重点実験室（インキュベーション）および深セン市食品生物安全管理重点実験室の協力に感謝する。また、香港理工大学材料研究センターの協力に感謝する。
利益相反について
著者らは、利益相反はないことを宣言する。

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