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      膠原蛋白知識:特征和應用

      2020-11-11

      一、  膠原蛋白簡介[1]

      膠原collagen源于古希臘,最早出現于1865年前后,是人體中含量最多的蛋白質。膠原廣泛分布于人體的結締組織中,如皮膚、軟骨和骨、肌腱、韌帶、角膜、器官被膜、硬腦膜等。正常人90%的膠原存在于皮膚和骨頭中。在顯微鏡下觀察發現,膠原約占真皮結締組織的95%;人體正常骨骼中含有80%的膠原;肌腱組織中膠原含量高達85%(以脫脂后的干重計)。其中Ⅰ型膠原含量最多,約占膠原總量的80%~90%。

      膠原作為細胞外基質的主要組分,不僅起到物理的支架結構,同時還可通過細胞外基質受體分子與細胞間實現信號傳遞,參與調控細胞的行為。膠原可直接與細胞表面受體結合,也可間接與其它中介分子結合后,參與細胞表面受體識別及信號傳導過程。膠原在其依賴性的動態細胞活動中也起到非常重要的作用,如組織重建,包括形態學的發生過程和創面的愈合,在免疫系統調控以及止血和血栓形成等方面也有重要的作用。

      膠原在體內以多級聚合的方式存在

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      資料來源:J. K. Mouw,   et al., Nature Reviews Molecular Cell Biology 15:771–785 (2014)

      膠原在結構上由三個自身按左螺旋排列的多肽鏈構成,三條相互獨立的膠原蛋白肽鏈依靠甘氨酸之間形成的氫鍵維系三股螺旋相互纏繞的結構。眾多膠原蛋白大分子又可彼此并排形成纖維互相交聯的結構,使最終產物具備較高機械強度。膠原蛋白正常的三螺旋構象是其理化特性和生物學活性的基礎,使其具備高拉伸強度、生物降解性能、低抗原活性、低刺激性、低細胞毒性以及作為人工器官骨架或創傷敷料時促進細胞生長、促進細胞粘附、與新生細胞和組織協同修復創傷等特性,這讓膠原成為一種適用范圍廣泛的生物醫用材料,目前已應用在敷料、人工器官再生醫學、組織工程、生物護膚等領域。

      二、  膠原蛋白的應用

      1)膠原在醫藥領域中的應用

      自美國1976年將膠原制品列入醫療器械進行管理及審批上市以來,近些年來膠原制品及膠原基生物醫用材料在臨床上的應用與日俱增,已涉及多個臨床學科。

      膠原的三股螺旋結構決定了膠原具有良好的生物力學性能,膠原的生物來源特性和同類膠原在種屬之間的高相似性決定了膠原具有良好的生物相容性,膠原材料無論是在被吸收前作為形成新組織的骨架,還是被吸收同化進入宿主,成為宿主組織的一部分,都與細胞周圍的基質有著良好的相互作用,表現出相互影響的協調性,并成為細胞與組織正常生理功能整體的一部分。

      膠原的三重螺旋結構是其特有的活性構象

      (Gly-X-Y)n重復序列

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      圖片來源:P. Fratzl (ed.), Collagen: Structure and Mechanics, Springer (2008)

        創面敷料

      膠原能促進細胞生長,將角質形成細胞分別在膠原、明膠和水解膠原蛋白底物上培養時,用顯微鏡觀察培養16小時后得細胞增殖情況,結果顯示,膠原具有明顯促進角質形成細胞生長的作用,細胞密度明顯大于其他樣品。膠原不僅能促進細胞的分裂增殖,而且對維持細胞的分裂機能也有效果。膠原具有促進角膜上皮細胞分化的作用,因此可以作為各類創面修復敷料使用。膠原敷料有多種形式,如膜片、海綿狀及粒狀等,能重新溶解,吸收創傷滲出液,可與宿主細胞外基質相互作用,以促進細胞在新結締組織上的黏附、移動、生長和沉積;能誘導分化、誘導成纖維細胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創傷修復。以往在燒傷的治療中使用了天然豬皮和羊膜,如今更多應用重組形式的膠原,即膠原經純化處理變為可溶性膠原后再制備成多種敷料。另外還可向基質中添加成纖維細胞生長因子、血小板衍生物生長因子和表皮生長因子等,這些生長因子都可有效地促進創傷愈合。

      膠原作為創面敷料具有黏附性好、適于肉芽組織和上皮細胞形成、減小傷口攣縮和抗原反應、止血性能好、具備類似真皮的物理形態結構和可適度交聯及被組織吸收等優點,可用于燒傷、外力所致的傷口、腿部潰瘍和褥瘡等的治療。主要應用領域如下:

      777777.png                                                                                      

        止血材料

      膠原亦可用于止血材料。血管內皮細胞下層由一系列的細胞外基質蛋白組成,其中的纖維膠原則是誘導血栓形成的主要基質蛋白。當血管壁的內皮細胞被剝離,致使膠原暴露于血液中,流動的血液中的血小板立刻與膠原纖維吸附在一起,發生凝集反應,從而形成血栓。膠原通過激活凝血因子Ⅻ、促進凝血因子Ⅺ和Ⅴ的活化,促進血小板的凝血作用。作為止血劑使用的膠原可以是粉狀、片狀及海綿狀等多種物理形態。

      膠原止血劑在治療細胞組織器官如肝或脾的創傷止血方面效果更明顯。由于這些組織一般缺乏結締組織的支持,在出血、滲出、細胞表面的修復過程中,十分需要纖維蛋白構架維持穩定。在這種情況下,使用膠原基止血劑可減少這些組織中血液的流失。膠原蛋白海綿和微晶膠原止血劑已成功用于粘牙齦手術上顎等部位的止血,還可用于血管嫁接、局部肝切除,腦、胰、肝和腎傷口的止血。在應用中,膠原蛋白快速止血繃帶能在1015秒內止住動脈流血,在急救中特別有效,而常規情況下急救止血除向傷口施壓以外沒有更有效的方法,該等功效讓此類產品作為急救材料,在緊急事件或軍事醫療場景具有良好的應用前景。

        注射填充材料

      去除端肽的未變性膠原具有低抗原性、良好的生物相容性和可生物降解性,有利于成纖維細胞的存活和生長,可用于面部輪廓矯正、皺紋和瘢痕修復等醫學美容。注入體內的膠原對宿主細胞有誘導作用,使細胞向注射物內遷移,并進行正常生理代謝,合成自身膠原等細胞外間質成分。隨著注射時間的延長,注射物中Ⅰ型和Ⅲ型膠原比例會逐漸接近正常皮膚中膠原的比例,表明成纖維細胞新合成了自身膠原。血液的供應保障了注射物內細胞生存所需的氧氣和養分,使無生命的膠原注射物逐步變為有生命的組織??扇苄阅z原溶液用于面部整形美容時須具備一定的可塑性和彈性,在常溫是凝膠狀液體,被注射到體內會轉變為半固態的膠體。除了應用于矯正各種皮膚缺陷之外,還可用于食管括約肌、聲帶的修復、牙周疾病方面的治療。

        藥物載體

      膠原在不同條件下(如溫度、pH、離子強度、濃度、組成和其它高分子作用等),可以發生聚集或組裝等行為而呈現多種形態,如水凝膠、膜、微球和微纖等。通過結合抗生素、蛋白類和基因等藥物,可以構建出多樣化的藥物釋放體系,從而達到不同的釋放要求和治療效果。另外,通過酶預處理或者化學交聯等加工工藝還可實現對其降解行為的調控。早在20世紀80年代,膠原就被用于抗生素藥物(如慶大霉素)的局部釋放載體,且已實現了商業化。目前,常用的膠原藥物載體系統主要包括眼科用的膠原罩、燒傷和創傷科用的膠原海綿、用于基因釋放的微球以及透皮釋放的控制材料等。

      膠原蛋白醫用產品的臨床應用如下所示:

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        資料來源:維基百科、FDA、CFDA、中信證券整理

      2)膠原在皮膚護理中的應用

      皮膚可分為三層:表皮層、真皮層和皮下組織層。國外在20世紀80年代就報道了膠原在化妝品方面的應用,一些知名品牌公司也推出了純膠原和添加了膠原的護膚品。相比水解膠原蛋白和明膠,膠原的親水基團含量雖然不大,但其具有特有的三螺旋結構,保濕效果僅次于甘油。天然膠原具有促進組織生長愈合、保水、美白、滋養皮膚等功效,因此天然膠原被廣泛應用于護膚品及美容行業中。

      天然膠原的水合作用得益于其存在的大量的甘氨酸、羥脯氨酸和羥賴氨酸,因其含有大量的羥基,從而具有良好的保濕作用。天然膠原的三螺旋結構能和水分子結合發生水合作用,羥脯氨酸連接水分子形成水合骨架結構,使一部分水以間質水的形式橋接在酰胺基和羧基之間,這種水合作用促進了膠原的自組裝。α-肽鏈上羥基、羧基和水形成了一種類似于晶格的狀態,形成的這種水合結構不僅使得膠原蛋白能結合更多的水分,而且使得天然膠原的熱穩定性有很大提高。而膠原蛋白肽和明膠是膠原的水解產物,是一種多肽混合物,不存在天然膠原的三螺旋結構,因而不能固定和結合太多的水分子,只能依靠氫鍵結合少量的水分子,而不能利用其結構結合多層水分子。因此天然膠原具有比小分子膠原蛋白肽更好的鎖水、補水、肌膚的生物營養功能。

      膠原的水合作用示意圖

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      注:(a)裸露的膠原單分子;(b)膠原結合一層水分子,依靠三螺旋外部的羥基、羧基的氫鍵;(c)膠原結合兩層水分子,氫鍵形成一層,三螺旋結構固定住部分水分子;(c)膠原的三層水分子結構。

      注:圖片來源于J. Bella, et al., Structure 3 (9):893-906 (1995)

      膠原蛋白在體內存在著一個合成和降解的平衡;小分子膠原蛋白肽通過被動擴散至皮膚的淺層結構,起到短暫的保濕和護理作用。具有大分子結構的活性膠原則通過物理性透皮吸收和細胞介導的生物性透皮兩種方式進入皮膚角質層、真皮層發揮生物護理作用。在物理吸收方面,活性膠原通過角質層間隙和毛囊壁間隙結構被動擴散進入皮膚組織;在生物吸收方面,活性膠原通過與組織細胞表面的整合素、盤狀結構域受體和糖蛋白等分子識別,發揮細胞粘附、傳導細胞信號及調控細胞生長的作用。這些跨膜蛋白受體能夠識別和結合天然膠原三螺旋結構中的特定氨基酸序列,激活皮膚角化細胞和毛囊免疫細胞,對人的皮膚組織起到生理性調控作用,從而發揮其皮膚營養功能。

      此外,膠原蛋白還能抑制黑色素的產生,達到美白的功效。皮膚中酪氨酸被含銅的酪氨酸酶催化成多巴,多巴再通過重排或者氧化還原形成黑色素類物質。膠原可以通過酪氨酸殘基競爭與酪氨酸酶的活性中心結合,減少多巴的生成,抑制黑色素的形成?;蛘咄ㄟ^螯合銅離子,使酪氨酸酶失活,減少黑色素的沉積,從而達到美白的作用。

      外來刺激、物理和化學因素常常導致皮膚屏障受損,這些刺激因素可能導致皮膚朗格漢斯細胞和角質細胞被激活,從而發生過敏性皮膚炎癥反應或角化反應,根據程度輕重可能產生干燥、脫屑、紅斑、腫痛、毛細血管擴張等炎癥反應。天然膠原具有促進組織生長愈合、保水、美白、滋養皮膚等功效,因此近年來在醫療和美容行業中得到廣泛的應用?;谀z原蛋白開發的主要產品類型可歸納為外用型膠原蛋白護膚原液、膠原蛋白面膜、膠原蛋白潔面乳和乳霜、膠原蛋白注射填充美容針等產品。

      醫美場景下,醫用膠原(目前主要是動物源膠原蛋白)注射到凹陷性皮膚缺損后不僅可起支撐填充作用,還能誘導受術者自身組織重建,逐漸生成的新生組織將與周圍正常皮膚共同協同實現局部矯形作用,整形美容外科將膠原蛋白注射于真皮層則可用來消除較深的皺紋皺褶。

      3)膠原在食品中的應用

      膠原在食品領域中的主要應用是人造膠原腸衣,與天然腸衣相似,都具有良好的透氣性和透明度,可食用且有較好口感。人造膠原腸衣還具有厚度均勻、拉伸強度高、穩定性強、氨基酸含量高等優點,同時在運輸過程中節省空間、節約成本,與塑料腸衣及纖維素腸衣比較具有明顯的優勢,因此人造膠原腸衣在腸衣市場逐漸占據優勢地位。

      水解膠原可作為功能性食品直接食用,如咀嚼片、運動員所需蛋白質粉和腸內營養制劑等。動物膠原蛋白食品具有獨特的保水性,并且可以改善食品的口感,延長保質期和保持顏色,主要作為肉類、糖果和乳制品等食品的食用添加劑。



      [1] 參考文獻:

      [1]李國英.膠原化學[M].中國輕工業出版社:北京,2013:1-2. 13-15;

      [2]湯克勇.膠原物理與化學[M].科學出版社:北京,2012:3-4. 102-105;

      [3]蔣挺大.膠原與膠原蛋白[M].化學工業出版社:北京,2006:5-6. 1-3


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