胶原蛋白简介

发布日期:2022/1/26 8:46:30

背景及概述

胶原蛋白是生物高分子材料，为动物结缔组织的主要成分，是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白，占蛋白质总量的30%左右；具有良好的生物相容性、低免疫原性和组织可降解吸收性，在创面止血、愈合，缺损组织的填充、修复及重建，药物载体和组织工程等方面有广泛应用，是理想的医用生物材料。胶原蛋白主要从动物肌腱、皮肤、尾巴等组织中提取获得的，具有良好生物相容性、低免疫原性和降解性等特性，但缺乏足够的机械强度。交联改性或与其他生物材料复合使用均可改善胶原蛋白的机械性能。目前，胶原蛋白已被广泛应用于止血剂与创面敷料、生物补片、骨修复材料、药物释放载体及作为组织工程支架等方面；临床使用显示，胶原蛋白对缺损组织的修复、再生及重建有着显著促进作用。胶原蛋白类软组织修复产品如下图：

图1 胶原蛋白类软组织修复产品

胶原蛋白的来源

天然胶原蛋白来源广泛，主要存在于动物的肌腱、骨、皮肤、韧带等组织中。目前应用较广的还是以天然获取的胶原为主，一般从牛、猪、鼠、鱼类等动物的肌腱、真皮和尾巴中提取[1]。胶原蛋白的提取方法有酸法、碱法、盐法、酶法等。碱法提取易导致胶原蛋白变性且会发生消旋反应，一般医用胶原蛋白不采用此法。因组织材料中可溶性胶原蛋白含量较少，提取率不高，盐法提取也较少使用。有研究发现碱法和盐法提取的胶原蛋白三级结构被破坏，没有完整的三螺旋结构。目前，采用酸法和酶法结合提取胶原蛋白的应用较多。酸性溶剂如乙酸等，可使组织溶胀，打开其交联键，利于胶原蛋白的提取；同时，酶制剂如胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等具有专一性，可切断胶原分子N及C端的非胶原性肽，而不改变三螺旋结构。受动物疾病如疯牛病、口蹄疫等影响，鱼类等水产类胶原蛋白的研究应用越来越受到关注。目前，天然胶原仍是胶原蛋白原料的主要来源。

人工合成胶原虽然天然来源的胶原蛋白应用广泛，但其难以修饰，并可能产生致病和免疫不良反应及其批次间的差异性问题，人工重组合成胶原蛋白成为一种新的途径。重组类人胶原蛋白是采用生物基因工程技术将胶原蛋白的基因片段，借助工具酶拼接到适合的载体然后转移到宿主细胞中诱导表达得到，具有质量可控、加工性强、水溶性好、周期性短、较低排斥反应等优点，常见的宿主表达系统有大肠杆菌、酵母菌等。此外，人工化学合成胶原蛋白也是一种来源。研究发现这种人工合成仿生胶原纤维可以黏附和激活血小板，形成凝块，促进愈合，不引起炎症反应，具有作为止血剂的潜力。

胶原蛋白的生物学特性

免疫原性胶原蛋白的氨基酸为(Gly-X-Y)n周期排列，分子结构重复性高，因此虽然是大分子物质，但其抗原性较低，免疫排斥反应较少。但胶原蛋白仍然会引起免疫反应，研究发现牛跟腱来源的Ⅰ型胶原蛋白连续注射BALB/c小鼠3周，66.8mg/kg剂量即可引起脾淋巴细胞免疫反应，可能导致偶发肝、肺损伤。目前降低胶原蛋白抗原性的方法主要有酶法和超低温冻存等。酶法主要是采用蛋白酶消化去除胶原蛋白中具有抗原性的终端肽结构。在200MPa、25℃条件下处理10min，胶原蛋白抗原性降低了42.66%；胰蛋白酶在37℃、pH=8.0，酶与底物质量比为1∶10时，胶原蛋白抗原性减少97.69%。超低温冻存可使抗原结构发生改变及丢失，显著降低组织抗原性和免疫原性。有研究比较了液氮冻存中不同保护剂及降温方式对心脏瓣膜组织免疫原性的影响，结果发现同时含有二甲基亚砜和硫酸软骨素冻存液中的组织免疫原性最低，此外程序控温比直接降温方式能获得更低免疫原性。胶原蛋白的免疫原性去除，仍然是材料专家和临床医生关注的重点内容之一。

生物相容性和降解性胶原蛋白因其组成和生物特性表现出了良好的生物相容性，与细胞周围环境有着和谐的相互作用机制，可较好地促进人体缺损组织的修复并能够参与新生组织的重建过程。将酸-酶法提取的牛跟腱胶原蛋白进行生物安全性研究，动物实验发现纯化的胶原蛋白无全身毒性，未引起接触性皮肤过敏反应，无热源反应，细胞毒性为Ⅰ级，此方法提取的胶原蛋白具有较高的安全性。有研究发现，重组人胶原纳米纤维血液相容性良好，无细胞毒性；细胞支架复合培养体外实验发现，支架材料能促进成纤维细胞的黏附与增殖，细胞相容性良好；体内实验表现出低的炎症反应，具有促进创面愈合的作用。同时，胶原蛋白具有稳定的三螺旋结构，多数蛋白酶仅能切断胶原蛋白侧链，但胶原蛋白酶等则能破坏胶原蛋白的螺旋结构，将其水解为小分子的多肽和氨基酸。胶原蛋白在体内降解主要受基质金属蛋白酶影响，关乎到组织的发育、形成、重塑与修复等重要过程。研究发现受植入部位复杂的组织微环境和宿主反应影响，胶原蛋白在不同植入部位的降解速率有明显差异，这对平衡生物支架降解率与机体组织再生速度具有重要意义。有研究制备了一种薄的机械性能稳定的非交联胶原蛋白细胞载体，植入大鼠皮下42d，胶原蛋白载体完全被降解吸收，被自体组织替代，创面愈合过程中没有发现包囊、瘢痕形成或长期血管化和炎症。