膠原蛋白工藝開發(fā)思路
時(shí)間：2025-02-13 14:26:22
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作為醫(yī)美和生物醫(yī)藥領(lǐng)域的熱點(diǎn)，膠原蛋白的研發(fā)和生產(chǎn)需求增長迅速，其上下游的工藝開發(fā)也得到廣泛討論和關(guān)注。膠原蛋白，是哺乳動(dòng)物組織中含量最豐富的結(jié)構(gòu)和功能蛋白質(zhì)，也是細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)之一，主要存在于纖維組織中，如筋腱、韌帶、軟骨和皮膚等。膠原蛋白能夠增強(qiáng)肌膚彈性，保持皮膚的緊致度和光澤度，減緩皮膚衰老。隨著年齡的增長，膠原蛋白的水平逐漸下降，這將導(dǎo)致皮膚出現(xiàn)皺紋、松弛和紋理不均等問題。均衡飲食和適量運(yùn)動(dòng)有助于提高膠原蛋白水平，食用富含膠原蛋白的食物或補(bǔ)充膠原蛋白產(chǎn)品也是一種方式。目前已知的膠原蛋白有28種，約占全身蛋白質(zhì)的25%～35%，相當(dāng)于體重的6%，皮膚含有70%，骨骼和軟骨含有40%，血管含有7%～8%。
Figure 1. 膠原蛋白的類型
?I型和III型：含量最高，約占人體內(nèi)膠原蛋白的90%以上。前者分布于皮膚真皮、骨骼、牙齒、肌腱等部位，用于支撐組織硬度，使組織更加堅(jiān)韌；后者主要分布于皮膚真皮、心血管、胃腸道等部位，用于維持組織彈性和基本結(jié)構(gòu)。?II型：主要分布于軟骨及眼睛的玻璃體、角膜、神經(jīng)視網(wǎng)膜等部位，用來維護(hù)以上器官的正常功能。?IV型：分布于基底膜等部位，常見于皮膚、腎臟、血管、淋巴管基底膜，含糖量比較高。?V型：主要分布于羊膜和胚胎中，起保護(hù)作用，孕婦分娩以后在體內(nèi)分布量會(huì)相應(yīng)減少。?VII型：主要分布于胚胎絨毛膜和羊膜等組織，出生后在人體內(nèi)分布相對(duì)減少。
Figure 2. 膠原蛋白在人體內(nèi)的分布
膠原蛋白作為市場(chǎng)研發(fā)熱點(diǎn)，在以下領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用：
1. 食品保健
?添加劑
?水解得到的功能性肽具有增加骨密度、降低血壓和抗氧化的作用
2. 化妝品
?霜類的營養(yǎng)補(bǔ)充劑和植入劑，提高皮膚的貯水能力?促進(jìn)皮膚的抗衰老、抗皺、防紫外線輻射和傷口愈合?注射填充
3. 生物醫(yī)藥
?創(chuàng)面敷料
?止血材料：誘導(dǎo)血小板的附著，激活凝血因子；良好的滲水和吸水能力，對(duì)止血有輔助作用
?組織工程材料：作為皮膚和骨骼的修復(fù)材料、支架材料、生物膜材料等。
?藥物釋放的媒介：水凝膠、顆粒劑、海綿和薄膜等，用于低分子量化學(xué)物質(zhì)如抗生素和癌癥抑制劑等藥物的釋放。
天然膠原蛋白為白色、不透明、無支鏈的纖維蛋白，分子量約為300 kDa，具有三股螺旋結(jié)構(gòu)，每條單鏈分子量約為90 kDa。重組膠原蛋白因不同的分子序列設(shè)計(jì)，可能為部分片段，分子量在30 kDa~90 kDa不等，且可能形成更高級(jí)的結(jié)構(gòu)，在電泳中表現(xiàn)出偏大的分子量。
原膠原是構(gòu)成膠原蛋?的基本結(jié)構(gòu)單元，每條原膠原鏈?約含有1000個(gè)氨基酸。
? 一級(jí)結(jié)構(gòu)：(Gly-X-Y)n重復(fù)單位，其中X和Y常為脯氨酸和羥脯氨酸，少數(shù)為賴氨酸和羥賴氨酸（UV220-230 nm）。
? 二級(jí)結(jié)構(gòu)：左?α螺旋肽鏈。
? 三級(jí)結(jié)構(gòu)：3條多肽鏈纏繞，右?螺旋組成原膠原。
? 四級(jí)結(jié)構(gòu)：原膠原平?排列成束，共價(jià)交聯(lián)成原纖維，聚集成束。
Figure 3. 膠原蛋?的結(jié)構(gòu)
膠原蛋白的上游表達(dá)體系分為動(dòng)物源、大腸桿菌、酵母、植物、昆蟲桿狀病毒和哺乳動(dòng)物細(xì)胞，其中又以酵母、大腸桿菌和CHO細(xì)胞為主。各表達(dá)體系的優(yōu)缺點(diǎn)及工藝難點(diǎn)總結(jié)如下：?優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低；生物活性好
?缺點(diǎn)：動(dòng)物源病毒風(fēng)險(xiǎn)，免疫原性；批次不穩(wěn)定；水溶性差；養(yǎng)殖時(shí)間長，產(chǎn)能受限；運(yùn)輸儲(chǔ)存困難
?工藝難點(diǎn)：分子量大（大多300 kDa左右），分子間交聯(lián)、除菌困難
?優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)周期短，發(fā)酵成本較低；遺傳背景清晰?缺點(diǎn)：生物學(xué)活性低；有內(nèi)毒素；缺乏使膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的羥基化酶?工藝難點(diǎn)：分子量?。ㄍǔ?lt;100 kDa），菌體裂解后澄清工藝難度較大；需要對(duì)內(nèi)毒素進(jìn)行控制?優(yōu)點(diǎn)：發(fā)酵成本較低；產(chǎn)量高；含外源羥基化活性；可對(duì)分泌重組蛋白進(jìn)行修飾；產(chǎn)生的重組蛋白不含病原體、熱原，具有較高的安全性?缺點(diǎn)：大多為同源性膠原蛋白，生產(chǎn)異源性膠原蛋白較為困難；成本比大腸桿菌表達(dá)體系高；易降解?工藝難點(diǎn)：分子量小（通常<100 kDa），固含量較高時(shí)澄清工藝難度較大?優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)周期短，成本低；安全性高?缺點(diǎn)：產(chǎn)量較低，產(chǎn)能不足?優(yōu)點(diǎn)：翻譯后處理能力更強(qiáng)；生產(chǎn)的外源蛋白具有較好的三螺旋結(jié)構(gòu)；含內(nèi)源性P4H活性?缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期較長，產(chǎn)量較低，成本較高6. 哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)?優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高；較好的三螺旋結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性；含內(nèi)源性P4H活性?缺點(diǎn)：培養(yǎng)體系要求高；易受病毒感染?工藝難點(diǎn)：分子量大（大多300 kDa左右），工藝過程需要病毒控制基于上游表達(dá)情況，下游則主要涉及澄清、超濾、層析和除菌等關(guān)鍵工藝單元。
Table 1. 動(dòng)物組織膠原蛋?提取?藝路線
Table 2. ?腸桿菌/酵?重組膠原蛋?提取?藝路線
Table 3. CHO細(xì)胞重組膠原蛋?提取?藝路線
參考文獻(xiàn)
1.K.G e l s e, C o l l a g e n s - st r u ct u r e, f u n ct i o n a n dbiosynthesis. Adv. Drug Deliv. Rev. (2003)
