链霉菌无细胞系统生物合成胶原纳米颗粒的优化、表征及其在癌症治疗中的应用研究

《Scientific Reports》：Biofabrication, statistical optimization, and characterization of collagen nanoparticles synthesized via Streptomyces cell-free system for cancer therapy

本研究针对传统胶原纳米颗粒合成方法存在的环境风险与生物相容性挑战，开发了一种基于绿色生物制造技术的新型抗癌纳米药物。研究人员通过链霉菌无细胞系统成功合成胶原纳米颗粒（Sv-CollNPs），结合中心复合旋转设计（CCRD）与人工神经网络（ANN）优化工艺参数，获得粒径30.41 nm、Zeta电位-19.4 mV的球形纳米颗粒。体外实验显示Sv-CollNPs对MCF-7、HepG2、HCT116癌细胞的IC50分别为7.94±0.6 μg/mL、13.89±1.0 μg/mL、22.06±1.6 μg/mL，联合阿霉素（DOX）可使艾氏腹水癌（EAC）模型肿瘤抑制率达97.96%。该研究为开发高效低毒的纳米抗癌药物提供了新策略。

　　

在纳米医学快速发展的今天，胶原纳米颗粒（Collagen Nanoparticles, CollNPs）因其优异的生物相容性和可降解性，成为药物递送系统的明星材料。然而，传统化学合成方法往往使用有毒交联剂，不仅存在环境风险，还可能影响材料的生物安全性。与此同时，微生物合成技术虽具有绿色环保优势，但在胶原纳米颗粒制备领域仍存在工艺优化不足、产量受限等瓶颈。如何通过智能算法精准调控合成过程，并验证其生物活性，成为该领域的关键挑战。

针对这一科学问题，Noura El-Ahmady El-Naggar团队在《Scientific Reports》发表了创新性研究，首次利用链霉菌无细胞系统（Cell-Free System, CFS）成功生物合成胶原纳米颗粒（Sv-CollNPs）。研究人员通过中心复合旋转设计（CCRD）与人工神经网络（ANN）的协同建模策略，实现了合成工艺的精准优化，并系统评估了纳米颗粒的理化特性及抗癌潜能。该研究为开发高效、低毒的纳米抗癌药物提供了新思路。

关键技术方法包括：1）通过链霉菌发酵制备无细胞上清液（CFS）作为生物交联剂；2）采用CCRD和ANN双模型优化pH、胶原浓度、温度等合成参数；3）利用透射电镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术表征纳米颗粒特性；4）通过MTT法检测体外抗癌活性；5）使用艾氏腹水癌（EAC）小鼠模型（n=8/组）进行体内药效评价。

GC-MS分析CFS

通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析显示，链霉菌NEAA-5菌株的无细胞上清液富含长链脂肪酸甲基酯（FAMEs）等活性脂质成分，其中棕榈酸、硬脂酸等饱和脂肪酸含量较高，这些成分可能作为天然交联剂参与胶原纳米颗粒的自组装过程。

Sv-CollNPs生物合成

研究首次证实链霉菌无细胞系统可有效诱导海洋胶原蛋白形成中空球形纳米颗粒。紫外可见光谱在240 nm处的特征吸收峰证实胶原成功纳米化。通过CCRD与ANN的协同优化，发现最佳合成条件为pH 7、胶原浓度20 mg/mL、孵育时间115 h、温度32℃，理论最大产量达19.87 mg/mL。ANN模型预测精度（R²=0.9998）显著优于CCRD（R²=0.9976），凸显人工智能在生物工艺优化中的优势。

表征分析

透射电镜显示Sv-CollNPs为规整球形结构，平均粒径30.41±10.03 nm。FTIR光谱证实纳米颗粒保留胶原特征官能团（酰胺I带1643 cm^-1，酰胺II带1538 cm^-1）。Zeta电位测定值为-19.4 mV，表明纳米颗粒具有良好的胶体稳定性。热重分析显示Sv-CollNPs在458.52℃仍保持56.59%残重率，热稳定性优于天然胶原。

抗氧化与抗溶血活性

在500 μg/mL浓度下，Sv-CollNPs对ABTS⁺自由基清除率达69.8%，显著高于天然胶原（43.1%）。抗溶血实验显示其可有效保护红细胞免受AAPH（2,2'-偶氮二(2-脒基丙烷)二盐酸盐）诱导的氧化损伤，抑制率达96.5%，与维生素C效果相当。

体外抗癌活性

MTT实验表明Sv-CollNPs对乳腺癌MCF-7细胞抑制作用最强（IC₅₀=7.94±0.6 μg/mL），对肝癌HepG2和结直肠癌HCT116的IC₅₀分别为13.89±1.0 μg/mL和22.06±1.6 μg/mL。值得注意的是，纳米颗粒对正常细胞（WI-38、WISH）的毒性显著低于癌细胞，显示良好选择性。

体内抗癌效果

在EAC荷瘤小鼠模型中，单独使用Sv-CollNPs可使肿瘤生长抑制率达83.49%，与阿霉素（DOX）单药疗效（85.02%）相当。而Sv-CollNPs与DOX联用组表现出协同效应，肿瘤抑制率提升至97.96%，显著优于各单药治疗组（P<0.01）。组织病理学分析显示联合治疗组肿瘤细胞坏死区域显著扩大，凋亡细胞数量明显增加。

菌株鉴定

通过形态学、生理生化及16S rDNA序列分析，确认生产菌株NEAA-5为Streptomyces viridochromogenes，其GenBank登录号为OR501415.1。该菌株在ISP2培养基上产生灰绿色气生菌丝，可形成螺旋状孢子链，最高耐盐浓度达7%。

本研究成功建立了一种环境友好的胶原纳米颗粒生物合成平台，通过智能算法优化使纳米颗粒产量提升至19.1 mg/mL。Sv-CollNPs不仅具备良好的理化特性与抗氧化能力，更展现出显著的选择性抗癌活性。特别是与阿霉素联用时产生的协同增效作用，为克服传统化疗药物毒性大、易耐药等问题提供了新思路。尽管纳米颗粒的长期稳定性及具体作用机制仍需深入探索，但该研究无疑为开发下一代智能纳米药物奠定了坚实基础。未来工作可聚焦于大规模生产工艺优化、靶向修饰及临床前安全性评价，推动该类生物纳米材料向临床应用转化。