胶原蛋白工艺开发思路
时间：2025-02-13 14:26:22
点击数：
作为医美和生物医药领域的热点，胶原蛋白的研发和生产需求增长迅速，其上下游的工艺开发也得到广泛讨论和关注。胶原蛋白，是哺乳动物组织中含量最丰富的结构和功能蛋白质，也是细胞外基质的关键蛋白质之一，主要存在于纤维组织中，如筋腱、韧带、软骨和皮肤等。胶原蛋白能够增强肌肤弹性，保持皮肤的紧致度和光泽度，减缓皮肤衰老。随着年龄的增长，胶原蛋白的水平逐渐下降，这将导致皮肤出现皱纹、松弛和纹理不均等问题。均衡饮食和适量运动有助于提高胶原蛋白水平，食用富含胶原蛋白的食物或补充胶原蛋白产品也是一种方式。目前已知的胶原蛋白有28种，约占全身蛋白质的25%～35%，相当于体重的6%，皮肤含有70%，骨骼和软骨含有40%，血管含有7%～8%。
Figure 1. 胶原蛋白的类型
•I型和III型：含量最高，约占人体内胶原蛋白的90%以上。前者分布于皮肤真皮、骨骼、牙齿、肌腱等部位，用于支撑组织硬度，使组织更加坚韧；后者主要分布于皮肤真皮、心血管、胃肠道等部位，用于维持组织弹性和基本结构。•II型：主要分布于软骨及眼睛的玻璃体、角膜、神经视网膜等部位，用来维护以上器官的正常功能。•IV型：分布于基底膜等部位，常见于皮肤、肾脏、血管、淋巴管基底膜，含糖量比较高。•V型：主要分布于羊膜和胚胎中，起保护作用，孕妇分娩以后在体内分布量会相应减少。•VII型：主要分布于胚胎绒毛膜和羊膜等组织，出生后在人体内分布相对减少。
胶原蛋白作为市场研发热点，在以下领域具有广泛应用：
1. 食品保健
•添加剂
•水解得到的功能性肽具有增加骨密度、降低血压和抗氧化的作用
2. 化妆品
•注射填充
3. 生物医药
•创面敷料
•止血材料：诱导血小板的附着，激活凝血因子；良好的渗水和吸水能力，对止血有辅助作用
•组织工程材料：作为皮肤和骨骼的修复材料、支架材料、生物膜材料等。
•药物释放的媒介：水凝胶、颗粒剂、海绵和薄膜等，用于低分子量化学物质如抗生素和癌症抑制剂等药物的释放。
天然胶原蛋白为白色、不透明、无支链的纤维蛋白，分子量约为300 kDa，具有三股螺旋结构，每条单链分子量约为90 kDa。重组胶原蛋白因不同的分子序列设计，可能为部分片段，分子量在30 kDa~90 kDa不等，且可能形成更高级的结构，在电泳中表现出偏大的分子量。
原胶原是构成胶原蛋⽩的基本结构单元，每条原胶原链⼤约含有1000个氨基酸。
• 一级结构：(Gly-X-Y)n重复单位，其中X和Y常为脯氨酸和羟脯氨酸，少数为赖氨酸和羟赖氨酸（UV220-230 nm）。
• 二级结构：左⼿α螺旋肽链。
• 三级结构：3条多肽链缠绕，右⼿螺旋组成原胶原。
• 四级结构：原胶原平⾏排列成束，共价交联成原纤维，聚集成束。
Figure 3. 胶原蛋⽩的结构
胶原蛋白的上游表达体系分为动物源、大肠杆菌、酵母、植物、昆虫杆状病毒和哺乳动物细胞，其中又以酵母、大肠杆菌和CHO细胞为主。各表达体系的优缺点及工艺难点总结如下：•优点：生产相对简单、成本低；生物活性好
•缺点：动物源病毒风险，免疫原性；批次不稳定；水溶性差；养殖时间长，产能受限；运输储存困难
•工艺难点：分子量大（大多300 kDa左右），分子间交联、除菌困难
•缺点：生物学活性低；有内毒素；缺乏使胶原蛋白三螺旋结构稳定的羟基化酶•工艺难点：分子量小（通常<100 kDa），菌体裂解后澄清工艺难度较大；需要对内毒素进行控制•优点：发酵成本较低；产量高；含外源羟基化活性；可对分泌重组蛋白进行修饰；产生的重组蛋白不含病原体、热原，具有较高的安全性•缺点：大多为同源性胶原蛋白，生产异源性胶原蛋白较为困难；成本比大肠杆菌表达体系高；易降解•工艺难点：分子量小（通常<100 kDa），固含量较高时澄清工艺难度较大•优点：翻译后处理能力更强；生产的外源蛋白具有较好的三螺旋结构；含内源性P4H活性•优点：产量高；较好的三螺旋结构和热稳定性；含内源性P4H活性•工艺难点：分子量大（大多300 kDa左右），工艺过程需要病毒控制基于上游表达情况，下游则主要涉及澄清、超滤、层析和除菌等关键工艺单元。
Table 1. 动物组织胶原蛋⽩提取⼯艺路线
Table 2. ⼤肠杆菌/酵⺟重组胶原蛋⽩提取⼯艺路线
Table 3. CHO细胞重组胶原蛋⽩提取⼯艺路线
参考文献
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)
