重组胶原蛋白研究进展及其应用

2022-08-24查青青聂姗姗

中国洗涤用品工业 2022年8期

查青青聂姗姗于文

西安开米股份有限公司，陕西西安，710075

胶原蛋白是一类生物高分子蛋白的总称，它是动物结缔组织的主要成分之一，也是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白，占总蛋白质含量的25%～30%[1-3]。胶原蛋白广泛存在于皮肤、骨骼、关节、头发中，能够起到支撑、修复、抗衰老的作用。由于胶原蛋白独特的理化性质和功能，使其在保健食品、化妆品、生物医学等领域的应用日益广泛。

1 重组胶原蛋白的合成研究进展

胶原蛋白由特殊的三重螺旋结构链组合而成，如图1所示[4]。原胶原为胶原蛋白的基本结构单元，每条原胶原链大约含有1 000个氨基酸单体。原胶原肽链的一级结构具有(Gly-X-Y)n重复单位，其中X和Y可以为任意一种氨基酸，通常为脯氨酸和羟脯氨酸，少数为赖氨酸和羟赖氨酸。

图1 胶原蛋白三维螺旋结构示意图

目前已发现了至少49种胶原蛋白编码，可形成的胶原蛋白类型达28种[5]。根据胶原蛋白在体内的分布以及功能特点，可分为间质胶原、基底膜胶原和细胞外周胶原。根据其结构的不同，又可分为微纤维胶原、类纤维胶原、成纤维胶原、成网状胶原、跨膜胶原、锚定胶原等。其中纤维胶原在组织中分布最广，根据类型可以分为：Ⅰ型胶原、Ⅱ型胶原、Ⅲ型胶原、Ⅳ型胶原等。其中Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白主要存在于皮肤、肌腱、韧带、关节等结缔组织，构成细胞外基质网状结构，是真皮层中最主要的胶原蛋白类型，因此Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白在美容护肤、护发产品中应用最广。

传统胶原蛋白从动物结缔组织中提取获得，提取方法主要包括高压辅助的物理方法、溶剂抽提的化学方法、酶的生物化学法三种。由于从动物组织中提取的胶原蛋白存在动物源疾病等风险，限制了传统胶原蛋白的应用和开发。目前，已有许多重组表达系统被应用于胶原蛋白的重组表达，如大肠杆菌、酵母、动物细胞、转基因动物和转基因植物等，如表1所示[5]。重组类人胶原蛋白是利用DNA重组技术，通过重组表达得到类似人源特性的胶原蛋白。

表1 重组胶原蛋白在各表达系统中的表达情况

2000年，Myllyharju等使用甲基酵母Pichiapastoris表达人胶原蛋白Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型。2014年，Rutschmann等在大肠杆菌中将人Ⅲ型胶原蛋白和病毒来源的脯氨酸羟化酶一起共表达，获得了羟化的胶原蛋白，产量达到90 mg/L[5]。

西北大学范代娣[6]课题组利用含有简单侧链的甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、缬氨酸的三肽链，通过基因工程菌E.coli BL 21发酵生产并分离纯化得到类人胶原蛋白，蛋白表达量达29.4%，同时该课题组还对重组类人胶原蛋白的发酵条件与纯化工艺进行了深入的研究。

南京理工大学高力虎、杨树林等[7]研究了类人胶原蛋白表达载体的构建及在毕赤酵母中的表达。在人胶原蛋白原域的氨基酸序列的基础上，以改善胶原蛋白水溶性和提高表达量为目的，设计并人工合成一段编码具有高亲水性约9 ku的Gly-X-Y三肽重复序列人类胶原蛋白的基因单体，同向串联6个类人胶原蛋白基因单体转化酵母，表达类人胶原蛋白。该课题组获得的胶原蛋白在保持天然胶原蛋白胶原域Gly-X-Y序列的高度重复前提下，可以更加灵活地改变人胶原蛋白氨基酸序列，改善亲水性能。同时通过改变酸性氨基酸和碱性氨基酸的比例，调节人胶原蛋白的等电点。

国外对胶原蛋白在转基因动植物中的重组表达也进行了大量的研究。Stein等[8]在番茄中将Ⅰ型人胶原蛋白、人源脯氨酸羟化酶和赖氨酸羟化酶基因进行共表达，产量为20 g/L，其中羟脯氨酸和羟赖氨酸的含量分别为7.55%和0.74%，表达产物和天然Ⅰ型人胶原蛋白非常接近。

2 重组胶原蛋白的应用

胶原蛋白及其改性产物因其具有促进表皮细胞的生长、促进伤口的愈合、缩短愈合时间的功效被大量应用于医药领域，如将胶原蛋白覆盖在烧伤、烫伤病患的伤口上，能够大幅缩短愈合所需时间，提高烫伤、烧伤患者的存活能力。此外胶原蛋白具有很强的伸张能力，能保持皮肤弹性、促进细胞生长，应用于护肤品中可起到保湿、修护、抗衰等功效，并且具有良好的生物降解性和生物兼容性，因此胶原蛋白也开始被越来越多的应用在护肤品、洗发护发产品中。

2.1 重组胶原蛋白在医药行业中的应用

张斌杰和周丽娜等[9]将Ⅱ型、Ⅲ型重组人源胶原蛋白用于深度烧伤患者创面的愈合中，结果表明Ⅱ型、Ⅲ型重组人源胶原蛋白能够将患者因烧伤所致断裂的胶原纤维重新连接起来，合成新的Ⅲ型人源胶原蛋白，促进创面的愈合，减少瘢痕增生。

羊剑秋、高以红等[10]研究了Ⅲ型重组胶原蛋白对皮肤创口愈合的疗效，结果显示重组人源Ⅲ型胶原蛋白功能凝胶可有效加速创口愈合，抑制瘢痕产生。

2.2 重组胶原蛋白在护肤品中的应用

人的皮肤分为：角质层、透明层、颗粒层、棘细胞层、基底层，胶原蛋白存在于真皮层中，占皮肤组织组成的70%左右。胶原蛋白素又称为“皮肤软黄金”，小分子胶原蛋白可以起到滋润肌肤的作用，同时补充皮肤所需氨基酸，修护受损肌肤。将胶原蛋白添加到化妆品中，能为皮肤提供必需的营养成分，其所含大量的亲水基团使之具有良好的保湿功效。另外胶原蛋白还能起到稳定泡沫、调节和稳定pH、乳化胶体的作用，减轻表面活性剂及酸、碱等物质对皮肤和毛发的刺激作用[11]。胶原蛋白在不同性质的化妆品中要求也不同。油性化妆品中添加的胶原多肽要求水解程度较低、分子量较大，这样相对疏水作用较强，具有较好的吸油性和乳化性；保湿型化妆品则需要酶解程度较高、分子量较小的胶原多肽，因其极性基团能形成离子键、氢键等作用力，有较好的吸水性和保水性。

含重组胶原蛋白的化妆品品类主要包括眼膜、面膜、喷雾剂、原液、冻干粉等，将重组胶原蛋白应用于化妆品配方中，可添加0.5%的烷基糖苷作为胶原蛋白保护剂，保护剂的加入有助于重组类人胶原蛋白在化妆品配方中的结构保持完整[12]。

西安巨子生物基因技术股份有限公司旗下品牌可丽金，主打重组胶原蛋白与肽类成分结合，起到抗衰、保湿等护肤功效。山西锦波公司采用重组Ⅲ型胶原蛋白、聚二甲基硅氧烷、蜡基等成分发明唇部护理品，与人体生物相容性良好，安全无刺激性，对唇部皮肤有保湿及柔软作用[13]。

《化妆品安全技术规范》（2015年版）禁止化妆品使用“人的细胞、组织或人源产品”，因此在化妆品中添加重组胶原蛋白作为原料时，企业需严格把控重组胶原蛋白的来源、工艺，同时避免在产品宣传、文案中使用禁用词汇，防止因产品宣传不当导致违规情况的发生。

2.3 重组胶原蛋白在洗护发产品中的应用

人的头发结构分为表皮层、皮质层和毛髓质，如图2所示[14]。表皮层呈现毛鳞片状，健康头发表面毛鳞片排列紧密，且完整服帖，对头发起保护作用。头发主要由角蛋白组成，约占头发的80%，其中含有大量的自然色素粒子，能够反映出头发的自然色彩。

图2 头发横截面示意图

胶原蛋白对头发表面的蛋白质分子有较大的亲和力，可以通过物理吸附作用与头发的表面结合。胶原蛋白耐漂洗，其亲和作用随其分子量的增大而增强，小分子量的胶原蛋白可以透过头发的皮质层，达到营养头发的作用[15]，为头发补充胶原蛋白可以促进头发的柔顺与光泽。江苏江山聚源生物科技有限公司通过对照测试发现，发束经过0.001%重组胶原蛋白水溶液的处理后光泽度增加，发束经过0.001%重组胶原蛋白水溶液处理后，可显著增加头发的拉伸力，增加抵抗外力拉断的能力。

健康洗发护发市场正在我国快速发展，洗发产品已从简单的清洁作用发展到护理修复、去屑止痒和防脱发、减少断发等功能，护发产品除要求改善头发梳理性能外，还需赋予修护秀发、防晒、护色、防断发等功效。研究表明，毛囊干细胞（HFSC）的逐步老化可导致毛囊逐步小型化，最终导致脱发[16]。HFSCs 中的DNA损伤反应可导致胶原蛋白COL17A1/BP180水解，最终引发HFSC衰老[17]。因此阻止胶原蛋白COL17A1/BP180水解可缓解脱发。

上海海盈通感光材料有限公司采用重组胶原蛋白、多肽、植物提取物等成分，使该护发组合物能够修复受损发质，同时可以有效刺激毛囊，增加毛囊乳头活性，促进毛发的生长和营养的补充，增加毛发的数量、光泽度和粗壮度，达到养发和护发的目的[18]。