胶原蛋白的研究进展

胶原蛋白研究进展*：通讯作者[e-mail]摘要:胶原蛋白以其独特的生物特性而具有广阔的应用前景．对近年来国内外学者与生产厂家对胶原蛋白的制备、生物学功能作用及应用方面的研究进展进行了综述，以期充分有效地利用该生物资源．关键词:胶原蛋白;制备;功能;应用引言:胶原蛋白(collagen)是细胞外基质的主要成分，约占胶原纤维固体物的85%，占动物体内蛋白质总量的25%～30%，它广泛存在于动物的结缔组织(骨、软骨、皮肤、腱、韧等)中，对机体和脏器起着支持、保护、结合，以及形成界隔等作用［1］．目前，已发现的胶原蛋白有20多种，它们在动物体内有着不同生理功能，其中，科研人员研究较多较深入的是Ⅰ型胶原蛋白．Ⅰ型胶原蛋白(以下所述胶原蛋白均指Ⅰ型胶原蛋白)分子长度约为300nm，直径约为115nm，呈棒状，由3条多肽链构成3股螺旋结构，即:2条αⅠ链，1条αⅡ链，αⅠ链和αⅡ链只是在氨基酸顺序上有微小差异．胶原蛋白特有的左旋α链相互缠绕构成胶原蛋白的右手复合螺旋结构，在螺旋区段，氨基酸呈现(Gly-X-Y)n周期性排列．胶原蛋白中，甘氨酸(Gly)含量较大，约占30%，脯氨酸(Pro)和羟脯氨酸(Hyp)共占约25%，而一般动物蛋白质中羟脯氨酸含量极微少．可以说，羟脯氨酸是胶原蛋白特有的氨基酸，其含量多少与胶原蛋白的稳定性、变性温度成正性相关［2］．同时，胶原蛋白具有很强的生物活性及生物功能，能参与细胞的迁移、分化和增殖，使动物的骨、腱、软骨和皮肤保持一定的机械强度．此外，胶原蛋白因其弱的抗原性和良好的生物相容性，在烧伤、创伤、眼角膜疾病、美容、矫形、硬组织修复、创面止血等医药卫生领域用途广泛．目前,国内外关于胶原蛋白的研究极为活跃，本文拟对胶原蛋白的制备、生物学功能及应用进行综述，以期充分有效利用该生物资源．1.胶原蛋白的制备目前，对胶原蛋白的提取主要有3种方法，即酸法、酶法与碱法．因此，根据提取方法的不同，胶原蛋白也可以分为酸溶性胶原蛋白、酶溶性胶原蛋白以及碱溶性胶原蛋白，这3种胶原蛋白的结构、理化性质与用途都不同．此外，随着动物年龄的增长，胶原蛋白中的分子间架桥随之增多．对于年龄较小的动物，一般采用中性盐溶液(1mol/L以下的NaCl溶液或Na2HPO4溶液)或者稀酸溶液(pH值4．5以下的酸性溶液)便可以将可溶性胶原蛋白从动物结缔组织中提取出来．稀酸溶液能切断分子间架桥，较中性盐溶液的提取能力强，通过酸处理后仍然不能溶解提取的胶原蛋白一般称为不可溶性胶原蛋白，通常采用酶或者碱处理的方法进行提取．由于受口蹄疫、疯牛病等的影响，人们对提取制备胶原蛋白的原料，已从常用的猪、牛真皮逐渐开始采用鱼鳞、鱼皮等原料．但鱼类胶原蛋白中羟脯氨酸含量较低，导致其变性温度也相对较低，如果温度稍微提高，胶原蛋白容易变性，不能制成产品．目前，胶原蛋白的研究热点之一是开发耐热胶原蛋白，旨在保持原有胶原蛋白特性的基础之上，提高胶原蛋白的耐热性，进而达到制备安全、稳定、有效的胶原蛋白制品的目的．井原等［3］采用酸法对胶原蛋白进行提取，再用蛋白酶除去提取物两端的抗原性肽链，生成“脱端肽胶原”;之后加入磷酸缓冲液调节至中性，此时，胶原蛋白分子会再次形成纳米纤维构造，变性温度上升10℃;再将胶原蛋白用架桥剂水溶性碳二亚胺(EDC)处理，实现更多分子间架桥，从而将变性温度从28℃提高到55℃，实现了提高变性温度的目的．2胶原蛋白的生物学功能2．1细胞功能调节功能细胞外基质(extracellularmatrix，ECM)与细胞支架相互作用可将化学和机械信号通过细胞膜上的受体进行转换，并导致细胞形态、蛋白质和其他细胞功能发生变化．在ECM与细胞膜成分之间的相互作用关系中，胶原蛋白能直接与细胞膜受体相互作用，或间接与ECM中的糖蛋白或糖胺聚糖相互作用，对细胞膜受体施加影响以参与细胞行为的调控．而在生理或病理机制的调控下，胶原蛋白有机地参与细胞迁移和代谢，从而使细胞更准确地发挥其功能．此外，研究发现，采用注射合成胶原结合肽的凝胶，可以在动物体内体外增强成骨作用．通过Ⅰ型胶原蛋白处理后的ADAMTS-1可提高动物成骨细胞的三维生长．将可吸收胶原蛋白海绵与人类基本成纤维细胞生长因子重组体结合，可促进鼠坐骨神经的再生［4］．2．2止血、创伤愈合功能天然胶原蛋白聚集体是一种很好的止血剂．研究人员在实验中发现，出血小板首先黏附于胶原蛋白表面，诱导血小板释放，大量的血小板聚集最终产生止血栓，胶原蛋白的止血活性依赖于胶原蛋白聚集体的大小和分子的天然结构，变性的胶原(明胶)白无明显的诱导止血功能．胶原蛋白的天然结构尤其是足够发达的四级结构，是胶原蛋白具有凝聚能力的基础，而采用胶原蛋白制备的凝血材料，如胶原/壳聚糖复合膜的止血性能比明胶等一般材料要好得多.2．3美容功能通常，皮肤中的胶原蛋白以Ⅰ型胶原蛋白为主，随着人们年龄的增长，分子间架桥日益增多，胶原蛋白纤维亦越紧密，使得皮肤容易老化而变僵硬、松弛．胶原蛋白与人体组织的亲和性很好，有利于自身组织的修复再生．研究发现，当注射胶原蛋白几周后，动物体内形成正常的结缔组织，使受损老化的皮肤得到填充和修复，从而达到延缓皮肤衰老的目的，而胶原蛋白溶液还有很强的抗辐射作用，且能形成较强的保水层保护皮肤。此外，注射美容胶原蛋白还可以填平皱纹的凹陷，有效地减轻或消除皮肤皱纹及矫正脸型．2．4免疫学性能胶原蛋白的免疫原性非常低，当经过一定的酶解处理，将两端具有抗原性的肽链脱去之后，便可以生成具有低抗原性、高活体亲和性的“脱端肽胶原”．将胶原蛋白与胎脑神经细胞培养2d后植入脑缺血大鼠，2d后，该大鼠只产生轻微的免疫反应，6d后免疫反应消失，在脑缺血大鼠中生长良好，实验表明，该方法可用作神经系统疾病的细胞移植治疗［5］．3胶原蛋白的应用3．1美容上的应用美容胶原蛋白是一种新型抗衰老美容材料．早在上世纪70年代初美国医学科研机构就率先推出注射用牛胶原蛋白，用于祛除皱纹及修复疤痕．日本科研人员研究开发的注射用“脱端肽胶原”，以高活体亲和性、低抗原性，广泛用于整形美容领域．目前，将鲨鱼胶原蛋白、罗非鱼鱼皮胶原蛋白等进行特定的处理，制备成的美容保湿面膜产品受到消费者的青睐．3．2用作止血材料研究发现，将胶原蛋白制成海绵状，除了具有良好的组织相容性以外，其海绵状结构还具有良好的渗水和吸水能力，将其用于局部止血应用时可起到很好的止血作用．同时，胶原蛋白对创面有良好的黏附性，一般情况下只需较短时间的压迫就可达到满意的止血效果，且使用十分方便．与其他止血材料单纯的止血作用相比，胶原蛋白在促进创伤组织再生和功能恢复方面也具有独特的效果，其对于创伤局部止血以后的愈合与恢复十分有利．目前，胶原蛋白海绵常用于口腔医学中，患者在拔牙时，将胶原蛋白海绵置入牙槽后，能迅速被血液所溶解，并与牙槽窝紧密粘连在一起，从而达到快速止血效果．此外，在普外医学中，手术创伤会引起不同程度的出血和渗血，而胶原蛋白类止血敷料则是常规止血材料的有益补充．3．3组织工程方面的应用胶原蛋白广布于人体各组织中，系各组织中的重要成分并构成组织的ECM，其性质是一种天然的组织支架材料．目前，科研人员已利用胶原蛋白制成各种各样的组织工程支架，如皮肤、骨组织、气管和血管支架等．研究表明，纯胶原蛋白组织工程支架具有生物相容性好，能促进细胞黏附、增殖等优点，但胶原蛋白存在力学性能差，无法承重，难以支撑组织重建等不足．因此，目前多采用复合的方式对其进行改善与提高。此外，将胶原蛋白在一定的酸碱处理下，进行冷冻干燥使其形成多孔疏松状，与羟基磷灰石等复合培养成骨细胞，可促进硬组织再建。3．4在给药系统上的应用目前，以胶原蛋白为主要成分的给药系统应用非常广泛，人们可以把胶原蛋白水溶液塑造成各种形式的给药系统，如眼科方面的胶原蛋白保护物、烧伤或创伤使用的胶原海绵、蛋白质传输的微粒、胶原蛋白的凝胶形式、透过皮肤给药的调控材料以及基因传输的纳米微粒等．胶原蛋白膜与药物通过氢键、共价键等方式结合制得药物缓释材料．研究发现，胶原蛋白膜具有良好的机械性能、生物相容性和稳定的理化性质，耐有机溶剂，适用于人工器官培养载体、医药敷料以及作为动物细胞培养中的细胞载体。胶原蛋白在体内的生理条件下是不可溶解的，可以保证蛋白质药物的持续释放。此外，胶原蛋白水凝胶具有良好的生物降解性，毒性低，且对温度、酸碱等刺激较敏感，可广泛用于药物的控释系统，而胶原蛋白与聚羟基丁酸甲基丙烯酸酯(PHEMA)聚合制得的水凝胶可用于传输抗癌药物氟尿嘧啶，进行皮下注射时，无不良反应发生，表现出较好的稳定性，具有修复皮肤组织缺损的潜力［6］．4展望我国是畜牧业和水产业大国，因加工生产中原材料利用率很低，每年都产生巨量的废弃物，而这些物质中含有大量的胶原蛋白．近年来，对鱼皮、鱼鳞等水产品来源的胶原蛋白的研究成为热点，这也是胶原蛋白应用发展的新趋势［7］．但从水产品中提取获得的胶原蛋白具有变性温度低、不够稳定的缺点，限制了其在相关领域的应用．随着研究的深入，科研人员相继找到了一些方法，如增加分子中架桥键的数量来改善其变性温度，此外，胶原蛋白的生物功能正在逐渐被人们认识．相信随着科学技术的不断发展，胶原蛋白的提取工艺必将不断优化，胶原蛋白的生物功能将进一步被开发，特别是在美容、生物医药等领域，胶原蛋白作为抗皱成分、止血剂、药物缓释剂、组织细胞工程培养载体等，将会有更加广阔的应用前景．参考文献:［1］周光宏．畜产品加工学［M］．北京:中国农业出版社,2003．［2］蒋挺大，张春萍．胶原蛋白［M］．北京:化学工业出版社，2001．［3］李贺，刘白玲，陈华林，等．酶法提取猪皮胶原及其结构表征［J］．中国皮革，2002，31(23):14－16．［4］李彦春，靳立强，危东发，等．酶法提取牛皮胶原蛋白的研究［J］．中国皮革，2002，31(2):6－9．［5］刘白玲．胶原在生物医学领域的应用［J］．皮革科学与工程，1999，12(3):35－42．［6］DeylZ，MiksikI，EckhardtA．PreparativeProceduresandPurityAssessmentofCollagenProteins［J］．JournalofChro-matoqraphyB，2003，790(1－2):245－275．［7］GlowackiJ，MizunoS．CollagenScaffoldsforTissueEngineering［J］．Biopolymers，2008，89(5):338－344．