胶原蛋白提取工艺和临床应用进展

王译伟，陈治梁

(四川医科大学 基础医学院，四川 泸州 646000)



胶原蛋白提取工艺和临床应用进展

王译伟，陈治梁

(四川医科大学 基础医学院，四川 泸州 646000)

摘要：指出了胶原蛋白是一种功能性蛋白，应用广泛。简要概述了胶原蛋白的结构、功能和提取，对胶原蛋白的临床应用及其成效进行了着重介绍，并展望了今后胶原蛋白的研究前景和应用趋势。

关键词：胶原蛋白；临床应用；成效；进展

1引言

胶原蛋白是一种白色、不透明、无支链的纤维蛋白质，主要存在于动物的皮、骨、软骨、肌腱和韧带等中，是结缔组织极其重要的结构蛋白，起着支撑器官、保护机体的作用[1]。皮肤是所有动物的最大的器官，也是胶原蛋白最丰富的蕴藏之处；在真皮蛋白质中，胶原蛋白占85%～90%[2]。

国家统计局资料显示，2010年全国肉类总产量7 925万t，其中，猪肉产量5 070万t(64.20%)；牛肉产量653万t(9.50%)；羊肉产量398万t(6.45%)，然而，目前我国的猪皮除少量制成皮革外，绝大部分没得到合理利用。例如大部分牛羊皮被用于皮革业，但在加工过程中仍然会产生大量的下脚料。再者，我国也是渔业大国，商品加工过程中也产生大量废料，如鱼皮、鱼鳞、鱼鳍、鱼尾、鱼骨等，约占原料鱼质量的40%～55%。如能从这些废弃物中提取胶原蛋白加以利用，不仅能够减少环境污染，而且也是一种新型胶原资源的开发途径。胶原蛋白被广泛的应用于食品、营养保健、美容以及生物医学材料等诸多领域，其提取、性能和应用等方面的研究也一直备受关注。本文主要对胶原蛋白的结构、功能及临床应用成效进行了概述，并展望了今后胶原蛋白的研究应用趋势。

2胶原蛋白的结构

胶原蛋白是一个庞大的家族，种类繁多，机构高度复杂[3]，可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅺ5种类型[5]。现以动物体内含量最多、分布最广的Ⅰ型胶原蛋白为例介绍其各级结构：一级结构是组成胶原蛋白多肽链的氨基酸序列，每条肽链的相对分子质量约为10万，由1 052个氨基酸残基组成，直径约1.5 nm，长300 nm，螺旋区含有388个(Gly—X—Y)重复序列，X常为脯氨酸，Y常羟脯氨酸或羟赖氨酸，其中脯氨酸是胶原特有的氨基酸。二级结构是胶原蛋白多肽链的左手螺旋，螺距为0.87 nm，每转一圈约有3.3个氨基酸残基，这是因为a链中吡咯环的存在使N—C键不能自由旋转。三级结构是3条具有二级结构的多肽链依靠侧链残基相连并相互缠绕形成一个在中心分子轴周围的右手三股份螺旋，螺距96 nm，每圈友36个氨基酸残基[2，4，6，7]。具有完整的三股螺旋结构的胶原才能发挥其功效。

3胶原蛋白的功能

胶原蛋白具有许多独特的生化性质和生理功能。

3.1静电学性能

胶原分子约有240个赖氨酸、羟赖氨酸和精氨酸的氨基和胍基，以及230个天门冬氨酸和谷氨酸的羧基。这些基团在生理条件下都带电荷，通过改变环境的pH值可以改变胶原纤维内静电状态[3]。

3.2离子和大分子结合性能

在自然状态和生理条件下，胶原分子约有60个自由羧基，其有结合阳离子(如钙)的能力，并在易溶盐(如硫氰酸钾)存在时，该性能将会提高。

3.3成纤维性能

天然的胶原在组织中以特定的顺序组织起来,具有良好的细胞适应性，加速细胞增殖和促进伤口愈合的作用[8]。

3.4止血功能

胶原蛋白有具有良好的凝聚能力，能够促进血小板黏附于其表面，诱导血小板释放，进而产生止血栓。

3.5细胞功能调节性能

在细胞外基质(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或间接与ECM中的糖蛋白或糖胺聚糖作用,从而对细胞膜受体施加影响以达到参与细胞行为的调控作用[9]。

3.6低免疫原性

胶原虽然是大分子物质，但结构重复性大，与其它具有免疫性的蛋白质相比，其免疫原性非常低。因而慢性排斥反应少见[10]。

3.7可生物降解性

胶原肽键能在胶原蛋白酶的水解作用下被打断，螺旋结构随之破坏，这样胶原蛋白就可以被蛋白酶彻底水解。

3.8促进骨的形成

食胶原多肽，可增强低钙水平下的骨胶原结构，从而提高骨强度，达到促进骨形成的作用。

3.9增强皮肤代谢作用

纤维细胞、脂肪细胞及毛细血管向植入胶原蛋白的部位移动，并组合成自身胶原蛋白，从而形成新的正常的结缔组织，活化真皮。

4胶原蛋白的提取

对胶原蛋白的提取研究，最早来自鱼类胶原的研究，可追溯至20世纪50年代。其后，陆续有了学者开展了对动物中胶原蛋白提取技术的研究。胶原蛋白的提取工艺过程大致包括选材、除杂、溶出和纯化；提取方法有酸法、减法、盐法、酶法以及上述各发的混合使用等[1～3]。各种方法根据条件的不同，所得的胶原蛋白产物可分为胶原、明胶和水解胶原蛋白。它们虽然具有同源性，但在结构和性能上却有很大差异：在低温下提取得到的胶原，仍然保持三股螺旋结构，形成的膜具有较好的柔韧性、弹性和强度，在模拟生理条件下能再形成纤维，明显激活细胞的生长。明胶能成冻、成膜，但明胶膜性脆、强度较差。水解胶原蛋白是多肽混合物且不能成膜。明胶和水解胶原蛋白均不能再度形成纤维，而且细胞生长实验证明，它们不具有促进细胞生长的性质，即明胶和水解胶原蛋白不具有生物活性[10]。因此，提取方法成功的关键在于能使胶原不致过度水解成明胶，保证所提取胶原的三股螺旋结构的完整。

(1)酸法[2]提取是用酸浸泡预处理后的材料，再经离心等操作提纯的提取方法。常用的酸有：乙酸、盐酸、草酸、柠檬酸、醋酸以及乳酸等，主要是利用低离子浓度酸性条件破坏分子间盐键和Schiff碱，从而引起纤维膨胀，降低胶原内部分子结构间的连接作用，最终使其溶解，但是其溶解量很少。

(2)碱法多用于从皮革废弃物中提取胶原蛋白，其中最关键的是脱铬。该法操作简便，水解作用强，脱铬率比酸法高，但只能得到相对分子量较小的水解胶原蛋白，应用价值并不太高。若碱对肽键水解非常严重的话，还会产生D型氨基酸消旋混合物，即旋光性化合物。而有些D型氨基酸是有毒的，甚至有致癌、致畸和致突变作用[2，3]。显然，要得到具有三螺旋结构的活性胶原蛋白，并用于食品医药生产，碱法几乎是不可取的。

(3)胶原蛋白作为蛋白质的一种，也具有盐溶和盐析性质。依据不同类型胶原蛋白溶解度与NaCl浓度的关系，可采取盐法对混合胶原蛋白进行分离。常用的中性盐主要有盐酸-三羟甲基氨基甲烷、NaCl、柠檬酸盐等。中性盐种类对胶原蛋白的溶解和盐析影响较大，有的盐可以提高胶原蛋白的稳定性，而有的则可降低胶原蛋白的构象稳定性[3]，加之提取率不是很理想，因此该方法没得到普及。

(4)酶具有特异性和高效性，能快速准确的提取胶原蛋白；不同的原料选择酶类和确定酶解的最佳条件组合，是提高工业生产胶原蛋白量的关键。酶的种类有胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、凤梨酶等。其中胃蛋白酶最常用，且只作用于胶原的端肽，不影响螺旋区段，保持了胶原的生物学特性，又能使胶原从皮组织中溶出[6]。其最佳条件主要有酶解温度、pH值、时间、酶量以及酶和原料的理化状态等。该法节约原材料，能大大提高胶原蛋白的品质和创造了更丰厚的利润，使得其在科学研究和工业生产中使用最为普遍。

5胶原蛋白的临床研究、应用及其成就

(1)临床应用。针对临床应用的适宜性和可操作性，胶原蛋白经不同的加工工艺制备成不同剂型的胶原蛋白生物材料。目前，应用较多的剂型有膜剂型、多孔基质、凝胶剂型、溶液剂型、纤维状剂型、管状剂型、复合剂型。1976年美国将胶原蛋白制品列入医疗器械进行管理及审批并批准上市，近30年来胶原蛋白制品及其胶原蛋白基生物医用材料在临床上的应用正与日俱增[7]。如膜片型胶原在烧伤整形科用作人工皮肤，脑外科替代硬脑膜，普外扩增与修复声带，眼耳鼻喉科替换鼓膜、移植角膜；管型胶原能引导引导周围神经再生而被用于神经外科，管型还是心血管外科的良好人造血管移植物；凝胶型胶原于泌尿外科可辅助治疗尿失禁、修复肾；海绵型作为伤口敷料在各大科室应用广泛；颗粒型用途较多，可作为药物输送载体、生长因子和生物活性大分子输送载体、组织和器官再生的细胞载体；溶液型在各科主要用作胶原涂层；复合型也常制成各种组织用于相应的科室。

(2)胶原蛋白与临床止血。手术创伤必然会引起不同程度的出血和渗血，血海绵状的胶原蛋白制品具有良好的渗水和吸水能力，可吸附大量血液，从而对渗血表面造成局部压迫，达到止血目的。海绵状框架可被红细胞填塞，引起血小板凝集和纤维蛋白原沉积，贴敷在血管破损处堵塞血液外流，促进血栓形成，加速局部血液凝固；它可引起血管痉挛，促使血栓形成，起到血管栓塞的作用；胶原蛋白海绵还可促使血小板破裂，释放出凝血激活酶，加速凝血；它还有支架作用，使血块不易脱落而止血。同时，胶原蛋白对创面有很好的黏附性，能与组织紧密粘连在一起，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，使用十分方便。而且胶原蛋白海绵无异物反应，降解速度也非常快。因此与其它止血材料单纯的止血作用相比，胶原蛋白在促进组织再生和功能恢复方面也具有独特的效果[7～11]。

(2)胶原蛋白与美容。具有三股螺旋结构的胶原蛋白分子相互交联成网状结构后，与弹力蛋白及多糖类形成富有弹性的结缔组织，提供支持、保护功能及各种机械性质，并赋予皮肤弹性与强度。胶原蛋白的生物兼容性使植入的分散胶原蛋白分子具有柔软性、粘性，从而停留在植入部，持续修补效果；数月后，人体的结缔组织能同化植入的胶原蛋白，使其成为人体组织的一部分。又由于胶原蛋白具有生物分解性，能被体内的胶原蛋白酶分解，而不至于永久留在植入部。自2009年11月至2010年5月，金宝玉[12]等采用双美胶原蛋白对30例求美者面部行面部年轻化填充治疗，效果满意且没产生过敏反应或严重的并发症。

(3)胶原蛋白及其改性产物也已大量用于制备生物敷料，如将胶原蛋白覆盖在烧、烫伤病患的伤口上，可促进表皮细胞的移人与生长，利于伤口的愈合，可大幅缩短愈合时间，提高烧伤病人的存活能力。马慧军[13]等的胶原蛋白凝胶促皮肤创面修复的临床研究结果表明为，胶原蛋白凝胶可促进美容性皮肤创面的修复，减少创面色素沉着发生，疗效好，安全性高，值得临床大力推广应用。

(4)胶原蛋白可用于治疗皱纹等其他美容治疗。随着年龄增长胶原蛋白的结构发生变化，成纤维细胞合成能力降低，皮肤中胶原蛋白缺乏，导致皮肤失去弹性并变薄，同时可导致真皮的纤维断裂、脂肪萎缩、汗腺及皮脂腺分泌减少，皮肤出现皱纹、皮肤松弛、干燥等老化现象。祝霞[14]等就用胶原蛋白液治疗人眼周皮肤皱纹，取得了良好的效果。

6展望

尽管胶原蛋白具有诸多良好的理化性质和生物学性能，但必须清醒地看到其本身的不足和缺陷。如胶原蛋白的抗原性仍然存在，即使很低，有临床应用研究表明，少数患者对胶原制品有轻微的过敏反应。为了使胶原蛋白及其制品更安全有效的造福人类，科研工作者们将继续用物理或化学方法交联和修饰胶原蛋白，增强纯化后天然胶原蛋白的性能，提高和改善其它性能。目前，不少科研人员正致力于寻找高产率、清洁化的胶原蛋白提取方法，为研究其性能和应用提供更有利的条件。总之，优化胶原蛋白提取工艺、改善胶原蛋白各种性能将继续备受广泛关注。又由于胶原蛋白制品及其衍生产物具有巨大的市场发展空间和潜力，其在高附加值领域(如食品、医药材料工业)的应用研究将必然成为今后的热点和重点。

参考文献：

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[13]马慧军,贾赤字,魏蓉,等.胶原蛋白凝胶促皮肤创面修复的临床研究[J].中国美容医学，2011,20(2):235～236.

[14]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.

Progress of Extraction Technologyand Clinical Application of Collagen

Wang Yiwei,Chen Zhiliang

(CollegeofPreclinicalMedicine,SichuanMedicalUniversity,Luzhou646000,China)

Abstract:Collagen is a kind of functional proteins,which is applied diffusely.Based on a brief introduction about the structure,function,and extraction of collagen,the article emphatically introducesthe clinical applications and achievements of collagen.Moreover,the article forecaststhe future research prospects and tendency of application.

Key words:collagen; clinical application; effect; progress

文章编号：1674-9944(2016)02-0180-03

中图分类号：TS59

文献标识码：A

作者简介：王译伟(1984—)，女，四川泸州人，讲师，主要从事有机化学和量子化学研究。

收稿日期：2015-12-08