膠原蛋白工藝開發思路
時間：2025-02-13 14:26:22
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作為醫美和生物醫藥領域的熱點，膠原蛋白的研發和生產需求增長迅速，其上下游的工藝開發也得到廣泛討論和關注。膠原蛋白，是哺乳動物組織中含量最豐富的結構和功能蛋白質，也是細胞外基質的關鍵蛋白質之一，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，這將導致皮膚出現皺紋、松弛和紋理不均等問題。均衡飲食和適量運動有助于提高膠原蛋白水平，食用富含膠原蛋白的食物或補充膠原蛋白產品也是一種方式。目前已知的膠原蛋白有28種，約占全身蛋白質的25%～35%，相當于體重的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構。?II型：主要分布于軟骨及眼睛的玻璃體、角膜、神經視網膜等部位，用來維護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，起保護作用，孕婦分娩以后在體內分布量會相應減少。?VII型：主要分布于胚胎絨毛膜和羊膜等組織，出生后在人體內分布相對減少。
膠原蛋白作為市場研發熱點，在以下領域具有廣泛應用：
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
?注射填充
3. 生物醫藥
?創面敷料
?止血材料：誘導血小板的附著，激活凝血因子；良好的滲水和吸水能力，對止血有輔助作用
?組織工程材料：作為皮膚和骨骼的修復材料、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，用于低分子量化學物質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，具有三股螺旋結構，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計，可能為部分片段，分子量在30 kDa~90 kDa不等，且可能形成更高級的結構，在電泳中表現出偏大的分子量。
原膠原是構成膠原蛋?的基本結構單元，每條原膠原鏈?約含有1000個氨基酸。
? 一級結構：(Gly-X-Y)n重復單位，其中X和Y常為脯氨酸和羥脯氨酸，少數為賴氨酸和羥賴氨酸（UV220-230 nm）。
? 二級結構：左?α螺旋肽鏈。
? 三級結構：3條多肽鏈纏繞，右?螺旋組成原膠原。
? 四級結構：原膠原平?排列成束，共價交聯成原纖維，聚集成束。
Figure 3. 膠原蛋?的結構
膠原蛋白的上游表達體系分為動物源、大腸桿菌、酵母、植物、昆蟲桿狀病毒和哺乳動物細胞，其中又以酵母、大腸桿菌和CHO細胞為主。各表達體系的優缺點及工藝難點總結如下：?優點：生產相對簡單、成本低；生物活性好
?缺點：動物源病毒風險，免疫原性；批次不穩定；水溶性差；養殖時間長，產能受限；運輸儲存困難
?工藝難點：分子量大（大多300 kDa左右），分子間交聯、除菌困難
?缺點：生物學活性低；有內毒素；缺乏使膠原蛋白三螺旋結構穩定的羥基化酶?工藝難點：分子量?。ㄍǔ?lt;100 kDa），菌體裂解后澄清工藝難度較大；需要對內毒素進行控制?優點：發酵成本較低；產量高；含外源羥基化活性；可對分泌重組蛋白進行修飾；產生的重組蛋白不含病原體、熱原，具有較高的安全性?缺點：大多為同源性膠原蛋白，生產異源性膠原蛋白較為困難；成本比大腸桿菌表達體系高；易降解?工藝難點：分子量小（通常<100 kDa），固含量較高時澄清工藝難度較大?優點：翻譯后處理能力更強；生產的外源蛋白具有較好的三螺旋結構；含內源性P4H活性?優點：產量高；較好的三螺旋結構和熱穩定性；含內源性P4H活性?工藝難點：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情況，下游則主要涉及澄清、超濾、層析和除菌等關鍵工藝單元。
Table 1. 動物組織膠原蛋?提取?藝路線
Table 2. ?腸桿菌/酵?重組膠原蛋?提取?藝路線
Table 3. CHO細胞重組膠原蛋?提取?藝路線
參考文獻
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)
