重組 III 型膠原蛋白在護膚品和藥械領域的應用綜述

1  引言

膠原蛋白是一類豐富的蛋白質，存在于皮膚、骨骼、肌腱、軟骨和血管等多種組織中，它們通過蛋白多聚形成的高級結構行使各類功能，在細胞、組織、器官的生命活動中起到重要作用。目前已知至少有 28 種不同類型的膠原蛋白，其中 I、II、III 和 IV 型在體內最為常見。III 型膠原蛋白是由三條相同的多肽α鏈螺旋纏繞形成三股螺旋結構，它具有高度保守的氨基酸序列，甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸在特定位置的重復出現(xiàn)，形成其獨特的三維結構，與I型膠原蛋白一起形成了皮膚的基底膜，提供了強度和彈性支撐，確保皮膚的張力和韌性。在皮膚的再生過程中，對于傷口愈合和細胞遷移至關重要。同時，III型膠原蛋白對于血管的發(fā)育和維護發(fā)揮重要作用，它賦予血管必要的柔韌性和彈性。此外，在臨床癥狀如瘢痕形成和某些遺傳性結締組織疾病如埃勒斯-當洛綜合癥中，III 型膠原蛋白顯示出其重要性。鑒于III 型膠原蛋白的諸多功能，開發(fā)具有更強生物學活性、安全性、親水性和低免疫原性的重組 III 型膠原蛋白的技術，無論是用于改善皮膚美容，促進傷口愈合，還是用于生物醫(yī)用材料，都顯示出巨大的應用前景。重組技術的發(fā)展已經使得 III 型膠原蛋白可以在無需使用動物源的情況下以高純度和高特異性生產，這為它在護膚品和藥械領域的應用奠定了堅實的基礎。本文綜述了III型膠原蛋白的生產及純化工藝，以及在護膚品和藥械領域的應用。

2 重組III型膠原蛋白的生產及純化

重組 III 型膠原蛋白是利用基因工程技術以人膠原III型原始基因序列經過優(yōu)化重組表達得到的。在重組III型膠原蛋白的生產和純化過程中，正確選擇表達系統(tǒng)和執(zhí)行高效的提取及純化步驟對于最終產品的質量至關重要。同時，質量控制措施確保蛋白質的純度、生物活性以及安全性，這些是后續(xù)應用的基礎。隨著技術的進步，上述流程正在不斷優(yōu)化，以提高產量、降低成本并擴大重組 III 型膠原蛋白在醫(yī)療和美容領域中的應用。

2.1表達系統(tǒng)的選擇

重組蛋白的生產依賴于有效的表達系統(tǒng)，已用于重組人源膠原蛋白表達的宿主細胞包括細菌、酵母、昆蟲細胞和哺乳動物細胞等。每種系統(tǒng)都有其獨特的優(yōu)勢和局限性。細菌表達系統(tǒng)成本低、生長快速和表達水平高，但它們常常無法進行正確的蛋白質折疊和后修飾；酵母表達系統(tǒng)能進行某些后修飾，同時保持較高的生長速度和表達量，發(fā)酵成本較低，遺傳背景清晰，操作性強，適宜工業(yè)化生產；哺乳動物細胞表達系統(tǒng)提供最接近人類體內環(huán)境的翻譯后修飾，適用于需要高度修飾的膠原蛋白生產，但發(fā)酵難度大、純化成本高且產量低，不適宜于大規(guī)模生產，多用于實驗室研究。目前III 型重組人源膠原蛋白表達系統(tǒng)以大腸桿菌和畢赤酵母居多。川大-錦波功能蛋白聯(lián)合實驗室選取人膠原基因COL3A1的關鍵片段區(qū)域483–512aa進行重復拼接，并在大腸桿菌工程菌中誘導表達，得到水溶性強、生物活性高的重組人源化 III 型膠原蛋白。華南理工大學蔡思澤等轉化畢赤酵母 GS115 實現(xiàn)了人源Ⅲ型膠原蛋白的整合表達，獲得了膠原蛋白單串聯(lián)、膠原蛋白二串聯(lián)和膠原蛋白二串聯(lián)四拷貝的畢赤酵母工程菌株。Rutschmann等人在大腸桿菌中共表達人III 型膠原蛋白片段和病毒的 P4H 和賴氨酸羥化酶，成功地獲得了產量為 90mg/L的羥基化人 III 型膠原蛋白。

2.2重組蛋白的提取和純化

重組蛋白在成功表達需進行進一步的裂解、純化。裂解步采用超聲波、高壓均質等物理或洗滌劑、溶解劑等化學方法，破壞宿主細胞壁和膜，釋放蛋白質。初步純化包括沉淀、離心、過濾等步驟，以去除大部分雜質如未裂解的細胞和細胞碎片。進一步純化一般采用色譜技術，包括離子交換、親和、凝膠滲透和液相色譜等，根據(jù)蛋白質的獨特性質如電荷、親水性、大小和結合親和力分離目標蛋白。成都中醫(yī)藥大學梁鑫等利用酵母分泌表達獲得重組人Ⅲ型膠原蛋白發(fā)酵液，以鹽析沉淀和陽離子柱層析結合的方法，純化出高純度的重組人Ⅲ型膠原蛋白。江南大學李瑛琦等設計類人膠原蛋白基因試劑盒并在大腸桿菌中獲得成功表達，通過發(fā)酵罐擴大培養(yǎng)，并經超濾初純及親和層析，最終得到了純度約為91%的類人膠原蛋白。

3 重組III型膠原蛋白在護膚品中的應用

隨著生物技術的發(fā)展和消費者對安全有效成分的需求日益增長，重組 III 型膠原蛋白在護膚品市場中發(fā)揮愈加重要的角色。

3.1 重組 III 型膠原蛋白作為護膚成分的優(yōu)勢作用

一方面，重組 III 型膠原蛋白的生物相容性及安全性很高，原因在于其嚴格受控的生產條件不但杜絕了潛在的動物源性疾病傳播風險，并且可以避免因個體差異而引起的過敏反應，使其適合長期應用在敏感肌膚上。

另一方面，重組III型膠原蛋白可以增強皮膚彈性、減少皺紋、深層滋潤、促進皮膚愈合。皮膚的彈性依賴于膠原蛋白和彈性蛋白網(wǎng)絡的完整性。III型膠原蛋白在皮膚的彈力纖維中占據(jù)重要位置，與I型膠原蛋白相互作用來支持皮膚的結構。隨著年齡的增長，皮膚中III型膠原蛋白的含量逐漸減少，通過外部補充可以幫助保持皮膚彈性和緊致性，提高皮膚的水和能力，并且能夠刺激皮膚產生更多膠原蛋白，從而有助于填充細紋和皺紋，實現(xiàn)撫平皺紋的效果。 

3.2 重組 III 型膠原蛋白作為護膚成分的應用方式

重組 III 型膠原蛋白可應用于產品配方、皮膚滲透、協(xié)同成分等中。目前應用最多的是被集成到各種護膚品配方中，包括面霜、精華液、面膜和眼霜等，以充分利用其抗衰老、促進愈合和保濕的特性。但是，由于膠原蛋白分子結構較大，其皮膚滲透率是一個挑戰(zhàn)，為提高滲透性，護膚品中可能需要使用特殊的遞送系統(tǒng)如脂質體或微乳液，將其有效地輸送到皮膚的深層。另外，為達到協(xié)同增效的作用，重組III型膠原蛋白通常與其他有益皮膚的成分如抗氧化劑（維生素 C 和 E）、透明質酸（保濕劑）和肽類（信號分子）等結合使用，協(xié)同增進皮膚健康。 

4 重組 III 型膠原蛋白在醫(yī)療器械領域的應用

重組 III 型膠原蛋白因其優(yōu)異的生物兼容性、促進愈合的特性以及高純度、高安全性等優(yōu)勢，在醫(yī)療器械領域的應用日益增加。

4.1組織工程

在組織工程中，重組 III 型膠原蛋白被用作支架材料，以支持細胞附著、增殖和分化。作為細胞外基質的主要組分之一，它提供了一個良好的模仿自然生物環(huán)境的平臺，例如，在皮膚、血管和其他軟組織的再生中，用作細胞生長的“腳手架”，促進新組織的形成。

4.2 傷口敷料

在人體傷口愈合過程中，III型膠原蛋白的表達顯著增加，它參與了新細胞外基質的形成和重塑，為新生組織的發(fā)展提供基礎支持。重組 III 型膠原蛋白應用于傷口敷料中不僅能促進成纖維細胞的遷移和增殖，還可以吸附液體形成保護性凝膠，加速自然愈合過程，其纖維細小且具有良好彈性的特點為病理性瘢痕恢復發(fā)揮獨特的作用。此外，敷料中的重組 III 型膠原蛋白能夠降低傷口的炎癥反應，這對于慢性傷口和難愈合傷口的治療尤其重要。

4.3 可吸收縫線

在手術縫合中，可吸收縫線是一種非常重要的醫(yī)療器械。重組 III 型膠原蛋白作為天然生物材料，能夠被人體吸收，減少了患者體內異物的長期殘留。相對于傳統(tǒng)的合成吸收性材料，重組 III 型膠原蛋白縫線可能提供更好的生物相容性和更少的炎癥反應，這對于提高傷口愈合的質量和減少術后并發(fā)癥至關重要。

4.4 其他藥械產品

除了上述應用外，重組 III 型膠原蛋白還被廣泛研究和應用于多種醫(yī)療設備和藥械產品中。例如，在心臟瓣膜修復、軟骨和骨骼修復以及牙科植入物等應用中，重組 III 型膠原蛋白都顯示出了良好的生物相容性和功能性。此外，在緩釋藥物輸送系統(tǒng)中，重組 III 型膠原蛋白可用作載體材料，通過控制藥物的釋放，改善治療效果。 

5 市場及展望

重組 III 型膠原蛋白作為一種生物制品，在全球市場的應用范圍不斷擴大，尤其在生物醫(yī)藥和美容護膚品中。受到消費者對于天然和安全成分趨勢的驅動，預計重組 III 型膠原蛋白在市場美容護膚市場會持續(xù)擴大。隨著老齡化社會的到來和慢性疾病患者數(shù)量的增加，對促進愈合和再生的生物制品需求不斷上升，推動了重組 III 型膠原蛋白在醫(yī)療領域的需求增長。

重組 III 型膠原蛋白作為一種具有廣泛應用前景的生物材料，未來的發(fā)展需要在科研創(chuàng)新與市場需求之間找到平衡。未來研究方向和技術創(chuàng)新可能會集中在精準生物工程、三維打印技術、智能釋放系統(tǒng)、結合再生醫(yī)學等方面。科學家正致力于通過基因編輯技術如 CRISPR/Cas9，提高膠原蛋白的產量和質量，以及定制化膠原蛋白結構，以適應特定的醫(yī)療需求；結合重組 III 型膠原蛋白與三維打印技術，精確構建復雜的組織工程結構，從而在重建受損組織和器官；在藥物輸送系統(tǒng)中開發(fā)新的智能材料，用以響應生物信號，精準控制藥物的釋放時間和位置；尋求將重組 III 型膠原蛋白與干細胞技術相結合，以促進器官和組織再生。探索未來研究方向、技術創(chuàng)新及潛在的市場機會的同時也可能面臨各種各樣的挑戰(zhàn)，如優(yōu)化生產過程以降低成本、滿足日益嚴格的監(jiān)管要求及突破生物活性、穩(wěn)定性等技術挑戰(zhàn)。總之，隨著技術的進步和市場的成熟，重組 III 型膠原蛋白有望在全球市場占據(jù)重要地位，為人類健康和美麗帶來更多貢獻。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://m.00559.cn/w/kj/30978.html