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胶原蛋白那些事

2015-09-07 13:56阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1391783845

1. 胶原蛋白概述
这年头说起胶原蛋白，好像很容易引起呵呵。但是，胶原蛋白重要到我们不得不去重视它。胶原蛋白是人体的主要结构蛋白，是由甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸为骨架，结合其它多种氨基酸形成α螺旋，三股螺旋结合在一起形成胶原纤维(图1)，构成骨骼、肌腱、筋膜、浆膜、软骨、肾脏、血管管壁、真皮、真皮与表皮交界处的一些重要结构，占到人体蛋白质总量的30%以上。

胶原蛋白那些事

图1 胶原蛋白纤维的螺旋结构
（图1引用来源http://www.science.uva.nl/research/crystallography/franks/collageen/paginas/h5p1.html）
有人认为“胶原蛋白缺乏色氨酸”，所以“胶原蛋白营养价值不高，是一种劣质蛋白
”，如此说来，人体蛋白质中最多的就是这种“劣质蛋白”了。然而，缺乏胶原蛋白的后果是非常严重的，在皮肤，一些遗传性问题导致某些胶原蛋白缺乏，形成大疱性皮肤病等。大家都熟知，缺乏维生素C会导致坏血病，原因就在于维生素C与胶原蛋白合成关系密切，缺乏维生素C导致胶原蛋白合成障碍，导致坏血病 [1]，表现有创口、溃疡不易愈合，骨胳、牙齿等易于折断、脱落；毛细血管脆性增加，而引起皮肤、粘膜、肌肉出血等。
根据结构和组分，胶原蛋白分为很多型(type)，现目前认为有二十多种，在不同的分布区域，胶原蛋白的主要种类又有所不同，发挥着各异的作用。胶原蛋白不仅是重要的结构成分，其实也有相当多的生理学功能。
2. 胶原蛋白材料的医学和生物用途
由于胶原蛋白的诸多作用，以及良好的生物相容性、低刺激性、安全性、可生物降解性等，使它在医学和生物上得到了广泛的应用 [2]。
胶原蛋白被作为药物输送系统，包括胶囊、片剂、贴片等，与脂质体联合，形成药物缓释系统，做成纳米级的颗粒，用作基因转导等。
胶原蛋白在烧伤方面的研究和应用已久，可以制备成皮肤替代品（敷料），促进修复和愈合，黏附性好、适于肉芽组织和上皮细胞形成，能减小伤口的挛缩和抗原反应，止血性能好、易吸收组织溢泌物等，可以减轻和缓解烧伤、烫伤的程度。
以胶原蛋白作为支架，涂覆以纤维蛋白原，做成止血海绵（图2），在外科手术中应用广泛 [3]，已经成功地用于肝、脾等富含血管的组织出血的治疗中，如肝脏吻合术、心脏手术及各种外科、内科手术。军事医学科学院卫生装备研究所研制的胶原海绵止血材料止血效果良好，用于体内创面的止血与治疗具有安全可靠性 [2]。

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图2 胶原蛋白海绵
（图2引用来源：http://www.davol.com/ordering-info/sp/avitene-ultrafoam-collagen-sponge/）
由于胶原蛋白是骨骼的结构性成分，故已有研究使用胶原蛋白作为支架，结合羟基磷灰石，制作成人工骨，用于骨科疾病治疗 [4]。相对于金属材料，它有更好的生物相容性和可塑性。若结合3D打印技术，有可能为骨科病人带来巨大的希望。
对胶原蛋白进行相应的加工处理，制成止血粉剂、烧伤敷料、药物载体、人工心脏膜、人工血管（图3）、食管和气管的替代材料、外科用缝线等多种形态，配合各种用途使用，在临床医学和科学研究上展现出良好的应用前景 [2]。胶原蛋白还可用于人工皮肤的构建。

胶原蛋白那些事 图3利用胶原蛋白作为支架制作人工血管
（图3引用来源：http://newsatjama.jama.com/2014/04/11/new-tissue-engineering-studies-answer-important-questions/）
3. 类人胶原蛋白(Human-likecollagen)的研究
过去，人类取得的胶原蛋白主要来源于动物组织（冰寒注：植物中是不含胶原蛋白的）。异种和异体来源的胶原蛋白存在以下几方面问题：①疾病的传染危险，例如疯牛病等；②在总体上，胶原蛋白非常安全，但异种胶原蛋白的也可能在临床应用中引起异种或异体排斥反应，导致移植部位的无菌性炎症；③刚性强，加工过程中引起分子链断裂；④绝大多数为水不溶性，提纯过程中所用溶剂很难脱除完全，有可能导致细胞毒性。动物产品的收集、加工等各个环境也都存在一定的不便性，作为食品问题不大，但是用作医疗还不够完美。因此，科学界开始了类人胶原蛋白的研究 [5]。
类人胶原蛋白的概念是基于人胶原蛋白的特征和主要功能序列，重新优化设计基因序列，将其导入表达生物，使之产生具有人胶原蛋白特征的蛋白质（图4），这样，它就具有更好的生物学相容性、细胞黏附性、促新细胞形成和止血功能(因其分子结构是完整的)，而且其促进上皮细胞生长功能更强。因为采用生物工程在洁净空间清洁生产，也就没有病原微生物隐患，排异反应低（由于重组类人胶原蛋白是由人体胶原蛋白基因构建的，在进入人体后，其免疫排异反应与来自动物组织的胶原蛋白相比大大减少）。相关研究也证实了其良好的生物相容性 [6]。

胶原蛋白那些事 图4 类人胶原蛋白的技术路线图
类人胶原蛋白的研究始于1980年，Uitto J等就从人皮肤细胞体外培养中得到了Ⅰ型和Ⅲ型前胶原。之后芬兰Oulu大学胶原蛋白研究中心(1997)、Vaughn P R等(1998)、Nokelainen M等(1998)、Bruin E C等(1999)、Myllyharju J等(2000)、Werten M W T等(2001)、Olsen D等(2005)、Pakkanen O等(2006)、Adaehi T等(2006)相继取得了不断成功。但均在实验室规模，且用真核生物表达，速度慢、产量低 [5]。
这一领域技术的突破是由西北大学的范代娣等实现的 [7]，她们采用PCR 扩增得到数个人胶原蛋白基因，并进行重组转化，通过高密度发酵培养生产出系列具有不同功效的人源性胶原蛋白，所得重组胶原蛋白表达量高达29.4%，达到世界领先水平，为类人胶原蛋白规模化生产和利用铺平了道路。
4. 胶原蛋白与皮肤
胶原蛋白在全身的分布中，50%以上分布于皮肤，其中主要是I型胶原蛋白，在真皮层主要构成了基本的支架，使皮肤拥有弹性，胶原蛋白的卷曲状态及糖胺聚糖和水结合程度，直接影响真皮层中水的分布形式 [8]。
在真皮和表皮交界处，胶原蛋白起到的锚定作用(主要是VII型胶原蛋白)，使真表皮细胞之间形成牢固的连接。缺乏相应的胶原蛋白或相关基因发生突变，可导致多种疾病，例如大疱性疾病、KS综合征、EDS综合征等 [9]。
胶原蛋白的作用并不仅限于形成结构，它也是重要的生化成分，例如I型胶原蛋白，具有非常强的促进角质形成细胞黏附和迁移的作用。在非胶原区域，X VIII型胶原蛋白的一个带有22kD的片段，有效抑制内源性血管内皮细胞增生和肿瘤生长[9]。体外实验显示，胶原能明显促进角质形成细胞细胞的生长和繁殖，胶原具有更优良的吸湿、保湿性能以及抗皮肤衰老功效[10]。
以胶原蛋白为主的真皮基质，是表皮能够生长的根基，真皮对表皮的完整性保持有着至关重要的作用[11]。这在重组人工皮肤上也是同样的，即：想让表皮细胞生长的话，在下方也要用胶原蛋白等先提供一个基础，再在上面“种植”表皮细胞（图5），才能生长成类似于人体皮肤结构的人工皮肤[12]。目前人工皮肤的研究已经进入实用化阶段，在护肤品功效评价[13, 14]、皮肤移植、烫伤等方面发挥作用[15]。

胶原蛋白那些事 图5 人工皮肤的培养过程
（图5引用来源：https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/736x/fd/60/03/fd60036a5a8a7984bd73edbc1db36775.jpg）
在护肤品领域，胶原蛋白应用的时间已久。由于胶原蛋白分子表面有许多极性侧基，赋予了其非同一般的吸水性能，可以结合自身质量10倍以上的水，故可以作为优良的保湿剂和成膜剂，而且由于良好的生物相容性，不易发生不良反应。但它的作用并不仅限于保湿，研究发现，外用中长链的胶原蛋白片段，可以被皮肤吸收，并改善皮肤弹性和水分（图6）[16]。

胶原蛋白那些事 图6 不同含量鱼鳞胶原蛋白对皮肤弹性的改善作用[16]
如前所述，类人胶原蛋白的生物相容性更好。国内已有较多的临床观察证实了其在改善皮肤屏障功能等方面的作用（冰寒注：目前类人胶原蛋白规模化生产仅在中国实现，故临床研究也主要由中国研究者完成）。
樊昕等进行了系列研究：女性志愿者应用类人胶原蛋白面膜，显示使用后即刻及1周内，皮肤水分增加，油脂降低，皮肤质地得到一定程度改善[17]；还观察了像素铒激光治疗的痤疮瘢痕患者60例，随机分为2组，一组治疗后应用类人胶原蛋白面膜5天，一周后改为2次／周共3周，一组作为平行对照，两组分别于1周和1个月后用VISIA皮肤图像分析仪和SOFT5.5皮肤测试仪对患者皮肤性质进行定量分析和评价，结果显示类人胶原蛋白在Pixel 2940nm激光治疗后1周内可以明显提高皮肤水分和油脂，对皮肤质地有所改善[18]；亦观察到在强脉冲光治疗后应用，可明显降低患者的疼痛感和烧灼感、缩短皮痂脱落的时间，对皮肤质地也有改善作用[19]。
路雪艳等探讨了类人胶原蛋白敷料治疗面部脂溢性皮炎的疗效、安全性及其对皮肤屏障功能的影响。将20～50岁女性面部脂溢性皮炎患者67例随机入组，试验组患者外用酮康唑乳膏加类人胶原蛋白敷料，对照组患者单独外用酮康唑乳膏，两组患者均用药10d，观察皮损变化并测定皮肤屏障功能相关指标。结果认为类人胶原蛋白敷料能改善皮肤屏障功能，减轻皮损，可以作为面部脂溢性皮炎的有效辅助治疗手段[20]。祝霞等观察了使用类人胶原蛋白治疗眼周皱纹的效果，发现类人胶原蛋白原液可一定程度地改善眼周皮肤皱纹，且不良反应轻微[21]。这些研究提示，类人胶原蛋白外用于皮肤可以改善皮肤状况。
5. 小结和展望
胶原蛋白具有重要的结构和生理作用、良好的生物相容性、安全性，基本没有免疫原性，其特殊的结构与性质，使之在生物医学领域发挥着重要作用，如促进组织修复、作为药物载体、止血、制作敷料、应用于重组人工皮肤、制作人工血管、人工骨、用于医学美容的组织填充术等。在皮肤方面，则广泛应用于护肤品和注射填充 [22]。
重组类人胶原蛋白的研究成功，为胶原蛋白更加大规模、容易、安全地应用于医学和美容提供了基础，相比异源性胶原蛋白，有更好的生物相容性，因而应用优势更为明显。初步临床研究显示，外用类人胶原蛋白对于皮肤作用温和，可改善水分和皱纹，改善皮肤屏障功能，应用于激光美容术后等具有较好的效果。不过，由于重组类人胶原蛋白成功规模化生产的历史还不久，外用于皮肤后是通过什么机制实现这些效果的，其细胞学、组织学层面的效果和作用机制，仍待进一步探索。
相较而言，内服胶原蛋白的研究要深入一些。研究显示，不同的胶原蛋白结构、分子量、肽链的构成，胶原蛋白或肽的作用不同，例如对抗微生物的效能有差异[23]。已知富含脯氨酸-羟脯氨酸或甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸的胶原蛋白水解产物具有增加真皮胶原蛋白含量、减轻光损伤、提升皮肤弹性等改善皮肤的作用[24]。根据这些信息，进一步深入的基础研究将有可能筛选出对皮肤具有更好作用的肽链序列或胶原蛋白种类，并且通过合适的机制增强其效果。
综上所述，胶原蛋白（尤其是类人胶原蛋白）具有多种独特的优势和特点，完全有可能在未来时代的生物医学、美容护肤领域发挥更大的作用。

参考文献

[1] 何国维. L-抗坏血酸和 D-异抗坏血酸的促氧化作用及其机制研究[D]. 广西医科大学, 2013.
[2] 刘慧玲, 王栋, 章金刚. 胶原蛋白在临床医学中的应用 [J][J]. 北京生物医学工程, 2005, 24(3): 239-241.
[3] Erdogan D, van Gulik T M.Evolution of fibrinogen‐coated collagen patchfor use as a topical hemostatic agent[J]. Journal of Biomedical MaterialsResearch Part B: Applied Biomaterials, 2008, 85(1): 272-278.
[4] Wahl D A, Czernuszka J T.Collagen-hydroxyapatite composites for hard tissue repair[J]. Eur Cell Mater,2006, 11: 43-56.
[5] 吴铭, 徐珍珍, 孙旸, 等. 胶原蛋白在化妆品中的应用及研究进展[J]. 日用化学品科学, 2011, 34(2): 19-23.
[6] 米钰, 惠俊峰, 范代娣, 等. 类人胶原蛋白生物相容性实验研究[J]. 西北大学学报 (自然科学版), 2004, 34(1): 66-68.
[7] 骆艳娥，范代娣，花秀夫等.重组大肠杆菌高密度发酵生产类人胶原蛋白的过控研究[J].西北大学学报，2005，35(2):180-183.
[8] Gniadecka M, Nielsen O F,Wessel S, et al. Water and protein structure in photoaged and chronically agedskin[J]. Journal of investigative dermatology, 1998, 111(6): 1129-1132.
[9] 中国临床皮肤病学[M]. 江苏科学技术出版社, 2009:67.
[10] 张忠楷, 李国英. 胶原, 明胶和水解胶原蛋白的护肤功能比较[J]. 日用化学工业, 2006, 36(1): 18-21.
[11] Briggaman R A, Wheeler C E.Epidermal-Dermal Interactions in Adult Human Skin: Role of Dermis in EpidermalMaintenance1[J]. Journal of Investigative Dermatology, 1968, 51(6): 454-465.
[12]Schafer I A, Kovach M, PriceR L, et al. Human keratinocytes cultured on collagen gels form an epidermiswhich synthesizes bullous pemphigoid antigens and α2β1 integrins and secreteslaminin, type IV collagen, and heparan sulfate proteoglycan at the basal cellsurface[J]. Experimental cell research, 1991, 195(2): 443-457.
[13] 马丹, 赵晓娟, 付溥博, 等. 3D 人工皮肤模型用于化学品皮肤刺激性实验的评估[J]. 卫生研究, 2014, 43(1): 149-151.
[14] Rouabhia M, Mitchell D L,Rhainds M, et al. A physical sunscreen protects engineered human skin againstartificial solar ultraviolet radiation-induced tissue and DNA damage[J].Photochemical & Photobiological Sciences, 2002, 1(7): 471-477.
[15] Varkey M, Ding J, Tredget EE. Advances in Skin Substitutes—Potential of Tissue Engineered Skin forFacilitating Anti-Fibrotic Healing[J]. Journal of functional biomaterials,2015, 6(3): 547-563.
[16] Chai H J, Li J H, Huang H N,et al. Effects of sizes and conformations of fish-scale collagen peptides onfacial skin qualities and transdermal penetration efficiency[J]. Journal ofBioMed Research, 2010, 2010.
[17] 樊昕, 韩悦, 郄金鹏, 等. 重组类人胶原蛋白面膜对皮肤的改善作用[J]. 中国临床医学, 2013 (1): 77-78.
[18] 樊昕, 刘崇, 姚美华, 等. 类人胶原蛋白对像素铒激光治疗后修复作用的评价[J]. 中国美容医学, 2011, 20(11): 1742-1744.
[19] 樊昕, 王丹丹, 岳丹霞, 等. 类人胶原蛋白对强脉冲光治疗雀斑术后修复效果的定量评价[J]. 中国美容整形外科杂志, 2011, 22(8): 475-478.
[20] 路雪艳, 高第, 王嵘, 等. 类人胶原蛋白敷料治疗面部脂溢性皮炎疗效观察及对皮肤屏障功能的影响[J]. 实用皮肤病学杂志, 2014, 7(1): 25-27.
[21] 祝霞, 李远宏, 吴严, 等. 类人胶原蛋白治疗眼周皮肤皱纹的临床观察[J]. 中国美容医学, 2010, 19(3): 361-363.
[22] Narins R S, Brandt F S,Lorenc Z, et al. Twelve‐Month Persistency of aNovel Ribose–Cross‐linked Collagen Dermal Filler[J].Dermatologic surgery, 2008, 34(s1): S31-S39.
[23] Gómez-Guillén M C, GiménezB, López-Caballero M E, et al. Functional and bioactive properties of collagenand gelatin from alternative sources: A review[J]. Food Hydrocolloids, 2011,25(8): 1813-1827.
[24] 许德田, 齐显龙. 口服胶原蛋白水解产物对皮肤的作用 [J]. 中国美容医学, 2013, 22(3): 410-413.

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