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胶原蛋白知识:特征和应用

2020-11-11

一、  胶原蛋白简介[1]

胶原collagen源于古希腊,最早出现于1865年前后,是人体中含量最多的蛋白质。胶原广泛分布于人体的结缔组织中,如皮肤、软骨和骨、肌腱、韧带、角膜、器官被膜、硬脑膜等。正常人90%的胶原存在于皮肤和骨头中。在显微镜下观察发现,胶原约占真皮结缔组织的95%;人体正常骨骼中含有80%的胶原;肌腱组织中胶原含量高达85%(以脱脂后的干重计)。其中Ⅰ型胶原含量最多,约占胶原总量的80%~90%

胶原作为细胞外基质的主要组分,不仅起到物理的支架结构,同时还可通过细胞外基质受体分子与细胞间实现信号传递,参与调控细胞的行为。胶原可直接与细胞表面受体结合,也可间接与其它中介分子结合后,参与细胞表面受体识别及信号传导过程。胶原在其依赖性的动态细胞活动中也起到非常重要的作用,如组织重建,包括形态学的发生过程和创面的愈合,在免疫系统调控以及止血和血栓形成等方面也有重要的作用。

胶原在体内以多级聚合的方式存在

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资料来源:J. K. Mouw,   et al., Nature Reviews Molecular Cell Biology 15:771–785 (2014)

胶原在结构上由三个自身按左螺旋排列的多肽链构成,三条相互独立的胶原蛋白肽链依靠甘氨酸之间形成的氢键维系三股螺旋相互缠绕的结构。众多胶原蛋白大分子又可彼此并排形成纤维互相交联的结构,使最终产物具备较高机械强度。胶原蛋白正常的三螺旋构象是其理化特性和生物学活性的基础,使其具备高拉伸强度、生物降解性能、低抗原活性、低刺激性、低细胞毒性以及作为人工器官骨架或创伤敷料时促进细胞生长、促进细胞粘附、与新生细胞和组织协同修复创伤等特性,这让胶原成为一种适用范围广泛的生物医用材料,目前已应用在敷料、人工器官再生医学、组织工程、生物护肤等领域。

二、  胶原蛋白的应用

1)胶原在医药领域中的应用

自美国1976年将胶原制品列入医疗器械进行管理及审批上市以来,近些年来胶原制品及胶原基生物医用材料在临床上的应用与日俱增,已涉及多个临床学科。

胶原的三股螺旋结构决定了胶原具有良好的生物力学性能,胶原的生物来源特性和同类胶原在种属之间的高相似性决定了胶原具有良好的生物相容性,胶原材料无论是在被吸收前作为形成新组织的骨架,还是被吸收同化进入宿主,成为宿主组织的一部分,都与细胞周围的基质有着良好的相互作用,表现出相互影响的协调性,并成为细胞与组织正常生理功能整体的一部分。

胶原的三重螺旋结构是其特有的活性构象

(Gly-X-Y)n重复序列

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图片来源:P. Fratzl (ed.), Collagen: Structure and Mechanics, Springer (2008)

  创面敷料

胶原能促进细胞生长,将角质形成细胞分别在胶原、明胶和水解胶原蛋白底物上培养时,用显微镜观察培养16小时后得细胞增殖情况,结果显示,胶原具有明显促进角质形成细胞生长的作用,细胞密度明显大于其他样品。胶原不仅能促进细胞的分裂增殖,而且对维持细胞的分裂机能也有效果。胶原具有促进角膜上皮细胞分化的作用,因此可以作为各类创面修复敷料使用。胶原敷料有多种形式,如膜片、海绵状及粒状等,能重新溶解,吸收创伤渗出液,可与宿主细胞外基质相互作用,以促进细胞在新结缔组织上的黏附、移动、生长和沉积;能诱导分化、诱导成纤维细胞的趋化性,延迟伤口收缩,加速创伤修复。以往在烧伤的治疗中使用了天然猪皮和羊膜,如今更多应用重组形式的胶原,即胶原经纯化处理变为可溶性胶原后再制备成多种敷料。另外还可向基质中添加成纤维细胞生长因子、血小板衍生物生长因子和表皮生长因子等,这些生长因子都可有效地促进创伤愈合。

胶原作为创面敷料具有黏附性好、适于肉芽组织和上皮细胞形成、减小伤口挛缩和抗原反应、止血性能好、具备类似真皮的物理形态结构和可适度交联及被组织吸收等优点,可用于烧伤、外力所致的伤口、腿部溃疡和褥疮等的治疗。主要应用领域如下:

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  止血材料

胶原亦可用于止血材料。血管内皮细胞下层由一系列的细胞外基质蛋白组成,其中的纤维胶原则是诱导血栓形成的主要基质蛋白。当血管壁的内皮细胞被剥离,致使胶原暴露于血液中,流动的血液中的血小板立刻与胶原纤维吸附在一起,发生凝集反应,从而形成血栓。胶原通过激活凝血因子Ⅻ、促进凝血因子Ⅺ和Ⅴ的活化,促进血小板的凝血作用。作为止血剂使用的胶原可以是粉状、片状及海绵状等多种物理形态。

胶原止血剂在治疗细胞组织器官如肝或脾的创伤止血方面效果更明显。由于这些组织一般缺乏结缔组织的支持,在出血、渗出、细胞表面的修复过程中,十分需要纤维蛋白构架维持稳定。在这种情况下,使用胶原基止血剂可减少这些组织中血液的流失。胶原蛋白海绵和微晶胶原止血剂已成功用于粘牙龈手术上颚等部位的止血,还可用于血管嫁接、局部肝切除,脑、胰、肝和肾伤口的止血。在应用中,胶原蛋白快速止血绷带能在1015秒内止住动脉流血,在急救中特别有效,而常规情况下急救止血除向伤口施压以外没有更有效的方法,该等功效让此类产品作为急救材料,在紧急事件或军事医疗场景具有良好的应用前景。

  注射填充材料

去除端肽的未变性胶原具有低抗原性、良好的生物相容性和可生物降解性,有利于成纤维细胞的存活和生长,可用于面部轮廓矫正、皱纹和瘢痕修复等医学美容。注入体内的胶原对宿主细胞有诱导作用,使细胞向注射物内迁移,并进行正常生理代谢,合成自身胶原等细胞外间质成分。随着注射时间的延长,注射物中Ⅰ型和Ⅲ型胶原比例会逐渐接近正常皮肤中胶原的比例,表明成纤维细胞新合成了自身胶原。血液的供应保障了注射物内细胞生存所需的氧气和养分,使无生命的胶原注射物逐步变为有生命的组织。可溶性胶原溶液用于面部整形美容时须具备一定的可塑性和弹性,在常温是凝胶状液体,被注射到体内会转变为半固态的胶体。除了应用于矫正各种皮肤缺陷之外,还可用于食管括约肌、声带的修复、牙周疾病方面的治疗。

  药物载体

胶原在不同条件下(如温度、pH、离子强度、浓度、组成和其它高分子作用等),可以发生聚集或组装等行为而呈现多种形态,如水凝胶、膜、微球和微纤等。通过结合抗生素、蛋白类和基因等药物,可以构建出多样化的药物释放体系,从而达到不同的释放要求和治疗效果。另外,通过酶预处理或者化学交联等加工工艺还可实现对其降解行为的调控。早在20世纪80年代,胶原就被用于抗生素药物(如庆大霉素)的局部释放载体,且已实现了商业化。目前,常用的胶原药物载体系统主要包括眼科用的胶原罩、烧伤和创伤科用的胶原海绵、用于基因释放的微球以及透皮释放的控制材料等。

胶原蛋白医用产品的临床应用如下所示:

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  资料来源:维基百科、FDACFDA、中信证券整理

2)胶原在皮肤护理中的应用

皮肤可分为三层:表皮层、真皮层和皮下组织层。国外在20世纪80年代就报道了胶原在化妆品方面的应用,一些知名品牌公司也推出了纯胶原和添加了胶原的护肤品。相比水解胶原蛋白和明胶,胶原的亲水基团含量虽然不大,但其具有特有的三螺旋结构,保湿效果仅次于甘油。天然胶原具有促进组织生长愈合、保水、美白、滋养皮肤等功效,因此天然胶原被广泛应用于护肤品及美容行业中。

天然胶原的水合作用得益于其存在的大量的甘氨酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸,因其含有大量的羟基,从而具有良好的保湿作用。天然胶原的三螺旋结构能和水分子结合发生水合作用,羟脯氨酸连接水分子形成水合骨架结构,使一部分水以间质水的形式桥接在酰胺基和羧基之间,这种水合作用促进了胶原的自组装。α-肽链上羟基、羧基和水形成了一种类似于晶格的状态,形成的这种水合结构不仅使得胶原蛋白能结合更多的水分,而且使得天然胶原的热稳定性有很大提高。而胶原蛋白肽和明胶是胶原的水解产物,是一种多肽混合物,不存在天然胶原的三螺旋结构,因而不能固定和结合太多的水分子,只能依靠氢键结合少量的水分子,而不能利用其结构结合多层水分子。因此天然胶原具有比小分子胶原蛋白肽更好的锁水、补水、肌肤的生物营养功能。

胶原的水合作用示意图

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注:(a)裸露的胶原单分子;(b)胶原结合一层水分子,依靠三螺旋外部的羟基、羧基的氢键;(c)胶原结合两层水分子,氢键形成一层,三螺旋结构固定住部分水分子;(c)胶原的三层水分子结构。

注:图片来源于J. Bella, et al., Structure 3 (9):893-906 (1995)

胶原蛋白在体内存在着一个合成和降解的平衡;小分子胶原蛋白肽通过被动扩散至皮肤的浅层结构,起到短暂的保湿和护理作用。具有大分子结构的活性胶原则通过物理性透皮吸收和细胞介导的生物性透皮两种方式进入皮肤角质层、真皮层发挥生物护理作用。在物理吸收方面,活性胶原通过角质层间隙和毛囊壁间隙结构被动扩散进入皮肤组织;在生物吸收方面,活性胶原通过与组织细胞表面的整合素、盘状结构域受体和糖蛋白等分子识别,发挥细胞粘附、传导细胞信号及调控细胞生长的作用。这些跨膜蛋白受体能够识别和结合天然胶原三螺旋结构中的特定氨基酸序列,激活皮肤角化细胞和毛囊免疫细胞,对人的皮肤组织起到生理性调控作用,从而发挥其皮肤营养功能。

此外,胶原蛋白还能抑制黑色素的产生,达到美白的功效。皮肤中酪氨酸被含铜的酪氨酸酶催化成多巴,多巴再通过重排或者氧化还原形成黑色素类物质。胶原可以通过酪氨酸残基竞争与酪氨酸酶的活性中心结合,减少多巴的生成,抑制黑色素的形成。或者通过螯合铜离子,使酪氨酸酶失活,减少黑色素的沉积,从而达到美白的作用。

外来刺激、物理和化学因素常常导致皮肤屏障受损,这些刺激因素可能导致皮肤朗格汉斯细胞和角质细胞被激活,从而发生过敏性皮肤炎症反应或角化反应,根据程度轻重可能产生干燥、脱屑、红斑、肿痛、毛细血管扩张等炎症反应。天然胶原具有促进组织生长愈合、保水、美白、滋养皮肤等功效,因此近年来在医疗和美容行业中得到广泛的应用。基于胶原蛋白开发的主要产品类型可归纳为外用型胶原蛋白护肤原液、胶原蛋白面膜、胶原蛋白洁面乳和乳霜、胶原蛋白注射填充美容针等产品。

医美场景下,医用胶原(目前主要是动物源胶原蛋白)注射到凹陷性皮肤缺损后不仅可起支撑填充作用,还能诱导受术者自身组织重建,逐渐生成的新生组织将与周围正常皮肤共同协同实现局部矫形作用,整形美容外科将胶原蛋白注射于真皮层则可用来消除较深的皱纹皱褶。

3)胶原在食品中的应用

胶原在食品领域中的主要应用是人造胶原肠衣,与天然肠衣相似,都具有良好的透气性和透明度,可食用且有较好口感。人造胶原肠衣还具有厚度均匀、拉伸强度高、稳定性强、氨基酸含量高等优点,同时在运输过程中节省空间、节约成本,与塑料肠衣及纤维素肠衣比较具有明显的优势,因此人造胶原肠衣在肠衣市场逐渐占据优势地位。

水解胶原可作为功能性食品直接食用,如咀嚼片、运动员所需蛋白质粉和肠内营养制剂等。动物胶原蛋白食品具有独特的保水性,并且可以改善食品的口感,延长保质期和保持颜色,主要作为肉类、糖果和乳制品等食品的食用添加剂。

 



[1] 参考文献:

[1]李国英.胶原化学[M].中国轻工业出版社:北京,2013:1-2. 13-15

[2]汤克勇.胶原物理与化学[M].科学出版社:北京,2012:3-4. 102-105

[3]蒋挺大.胶原与胶原蛋白[M].化学工业出版社:北京,2006:5-6. 1-3


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