胶原蛋白分类、结构及发展史回顾

胶原蛋白的发展史几经波折。

胶原蛋白是广泛存在于生物体中的一种生物高分子，是动物结缔组织中的主要成分，也 是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白，占蛋白质总量的 25-30%。胶原蛋白因 具有良好的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，在食品、皮肤护理、医疗器械、组织 工程等领域有广泛应用。

人体中共发现有 28种不同类型的胶原蛋白，各司其职，其中有几类胶原蛋白含量较高、 分布较为广泛：1）I 型胶原蛋白，含量最高，占成人体内胶原蛋白总量的 80-90%，分布于 真皮、骨骼、牙齿、肌腱等部位；2）II 型胶原蛋白，主要分布于软骨以及眼睛的玻璃体、角 膜、神经视网膜等部位，维护器官和组织正常功能；3）III 型胶原蛋白，主要分布在皮肤真 皮、心血管、胃肠道等部位，主要功能是维持组织弹性和基本结构，婴儿阶段含量能达到 80%， 随着年龄增长会大幅流失，是抗衰抗老主力军；4）IV 型胶原蛋白，分布于基底膜等部位， 常见于皮肤和肾脏基底膜；5）V、VI、VII 型胶原蛋白，主要分布于羊膜、胚胎等组织，随 着分娩后逐步减少。

独特的三螺旋结构。一般的蛋白质是双螺旋结构，而作为细胞外基质的一种结构蛋白， 胶原蛋白由三条多肽链构成三螺旋结构，即 3 条多肽链的每条都左旋形成左手螺旋结构，再 以氢键相互咬合形成牢固的右手超螺旋结构。正是因为三螺旋结构的稳定性，胶原蛋白能够 起到结构支撑和保持皮肤弹性的作用，但同样的导致存在食物中的天然胶原蛋白很难被消化 吸收，需要经过消化系统分解为二肽、三肽，再通过小肠上皮细胞的囊泡进入血液系统，进 而被人体利用，所以通过猪蹄汤、鱼皮、鸡爪等食补方式效果微乎其微。

从最初的动物源提取，并最早被应用于皮肤注射和填充； 到致敏风险以及疯牛病的兴起，行业受到重创进入低迷期；再到最近基因工程技术的发展让 胶原蛋白定制化成为现实，重组胶原蛋白重新回到人们的视野。胶原蛋白这一具备优良性能 与多重功效的理想生物活性成分在科学技术的进步下揭开了新的篇章。

胶原（collagen）一词源于古希腊，最早出现于 1865 年前后。1976 年美国将胶原制品 列入医疗器械进行管理，随后 1981 年医诺美的牛胶原蛋白植入物 Zyderm I 获 FDA 批准， 这是全球第一款被 FDA 批准上市的胶原蛋白植入剂，比第一款玻尿酸产品获批早了 20 年。 之后胶原蛋白产品经历了一段快速发展时期，最多时占据软组织填充市场约 90%份额。 作为较早应用在皮肤填充的生物成分，胶原蛋白的发展历程却一波三折。最初的胶原蛋 白主要来自动物提取，市场上以牛胶原为主流，该类胶原蛋白被称为动物源性胶原蛋白。动 物源性胶原蛋白存在几个较为严重的缺陷：1）提取来源受限，很难实现量产，导致终端产 品价格高昂；2）动物提取存在自带致病病毒风险，比如口蹄疫、禽流感等；3）非人体成分 注射后有免疫排斥和过敏风险，即使皮肤测试也无法保证完全不会产生副作用；4）动物提 取难以保证批次质量统一，容易发生不同批次产品质量和功效差异较大的情况。加之 20 世 纪 90 年代欧洲疯牛病爆发，牛胶原产品遭到重创，市场严重萎缩，随后 2003 年第一款玻尿 酸产品问世，具有更高安全性和价格优势的玻尿酸很快成为市场主流，胶原蛋白陷入了长时 间的沉寂。

为了避开疯牛病风险，胶原蛋白厂商开始寻求新的技术突破和提取来源。中国台湾的双 美公司通过将 Zyderm 牛胶原技术应用到猪身上，有效解决了牛胶原的致敏性，因为猪组织 学结构与人皮肤胶原蛋白的组织学结构 DNA 相似度高达 93%，过敏率为 0.58%（牛胶原为 3-5%）；同时公司还研发了 ZDT酵素处理技术，能有效去除可能致敏的端肽，降低免疫原性 风险。2009 年强生公司出品的 Evolence 胶原蛋白填充剂获批上市，该产品核心成分为猪胶 原，且 FDA 批准该产品无需过敏性测试，但在 2009 年强生将该产品从市场上撤回。

科研界对于胶原蛋白的探索从未停滞，1980 年，美国科学家成功在人体皮肤细胞体外 培育出了 I 型和 III 型前胶原，但始终处于实验室阶段，无法完成量产。之后随着合成生物和 基因工程技术的日渐成熟，2000 年中国科学家范代娣博士成功突破技术桎梏，通过 PCR（聚 合酶链式反应）扩增，通过高密度发酵培养生产出了重组人源化胶原蛋白，同时成立了巨子 生物，将重组胶原蛋白研究成果进行产业转化，开启了重组胶原蛋白的新纪元。

重组胶原蛋白即通过 DNA 重组技术制备出的胶原蛋白，其氨基酸序列可以根据需求进 行设计和改造，甚至实现与人体氨基酸序列 100%一致，有效规避了动物源性胶原蛋白具有 的免疫原性、自带病毒、质量差异等潜在风险，性能优异，具有广阔的应用前景。根据重组 胶原蛋白氨基酸序列与人体一致性的高低，目前主要分为以下 3 类：1）重组人胶原蛋白；2） 重组类人胶原蛋白；3）重组类胶原蛋白。

重组胶原蛋白的合成过程主要包括表达体系的构建、发酵及纯化三个过程，目前用于大 规模制备和生产的系统主要是微生物（酵母、大肠杆菌等）和植物表达系统，其中微生物发 酵体系具有成本低、周期短、培养成功率高等优势，更容易实现商业化生产，因此市场上大 多厂商都将研发聚焦于微生物表达体系。

重组胶原蛋白最大的难点在于三螺旋结构的搭建。胶原蛋白独特的三螺旋结构是起到支 撑皮肤和刺激细胞再生作用的关键原因，不仅能支撑皮肤硬度、使皮肤坚固，还对皮肤的弹 性、疤痕愈合有重要作用，更能延缓皮肤衰老。而胶原蛋白独特的三螺旋结构中每条原胶原 链大约含有 1000 个氨基酸单体，因此重组技术较难完整的表达出全部的氨基酸序列，并构 建出稳定的三螺旋结构。目前市场上布局重组胶原蛋白的公司都在积极研发，往更稳定的三 螺旋结构、更完整的基因序列表达、更接近人体同源胶原蛋白的方向不断突破。

监管政策明确行业标准，进入有序发展。2023 年 1 月，国家药监局发布了《重组人源 化胶原蛋白》医疗器械行业标准，将于今年 7 月 20 日正式实施。该标准规定了不含非人胶 原蛋白氨基酸序列的 A 型重组人源化胶原蛋白的质量控制、技术要求、试验方法、稳定性、 生物学评价以及包装、运输和贮存等，为行业有序发展提供了遵循原则，标志着重组胶原蛋 白将进入高速且有序发展阶段。

动物源性胶原蛋白和重组胶原蛋白最根本的区别即提取和制备方式的差异。动物源性胶 原蛋白主要分为酸法、碱法、盐法等方法，从鱼鳞、鱼皮、牛蹄等动物组织中析出胶原蛋白 成分，最后经过纯化得到较为纯净的胶原蛋白；重组胶原蛋白技术分为表达体系的构建、发 酵和纯化，主要通过微生物进行发酵，能够得到高度甚至完全同人源的胶原蛋白。

在生物特性和应用场景方面，两者也有较大差距。动物源性胶原蛋白由动物组织提取而 得，因此具有潜在自带病毒风险，另外因为动物与人体基因序列相差较大，注射进人体后有 概率产生免疫排斥反应，这也是胶原蛋白发展长期受限的根本原因。而重组胶原蛋白利用基 因工程进行 DNA 片段的复制和编辑，能够做到与人体组织基因序列高度甚至完全一致，从 根源上消除掉过敏风险，保留了胶原蛋白的生物特性，具备多元应用场景。