膠原蛋白和Ⅱ型膠原在健康產品中的應用及機制

李潔　王玉梅

【摘要】背景：膠原是在人體內分布最廣、含量最多的蛋白質。縱觀近年來健康相關產品，有關膠原、膠原蛋白產品眾多，概念也很多且良莠不齊，使用邊界含糊不清。歸納分析按有效成分可概括為兩種：水解膠原蛋白和Ⅱ型膠原。其中水解膠原蛋白涉及諸多不同的來源，有牛骨來源，軟骨來源，豬皮來源，魚皮魚鱗來源；按膠原類型有Ⅰ型膠原，Ⅱ型膠原，Ⅲ型膠原。它們的基本概念是什么，又是通過什么樣的作用機制達到促進健康的目的，在使用時如何區分，他們的使用邊界在哪里。本文試圖對這些問題進行闡明綜述。目的：綜述水解膠原蛋白和Ⅱ型膠原在健康保健中的用途和作用機制。方法：檢索CNKI、PubMed相關文獻，對納入的文獻進行分析討論。結果與結論：全面總結了水解膠原蛋白和Ⅱ型膠原在健康保健中的用途和作用機制，為新技術新產品的開發提供數據。

【關鍵詞】Ⅱ型膠原；水解膠原蛋白；健康產品

Application and Mechanism of Collagen and TypeⅡ Collagen in Health Prodcts

Li Jie ，Wang Yumei*

National Insyitute for Viral Disease Control and Prevention， Chinese Center for Disease Control and Prevention， Beijing 102206，China

Abstract： Background： Collagen is the most widely distributed protein in the human body. Looking at health products in recent years， there are many products related to collagen， as well as various relevant concepts， some of which are vague. In terms of active ingredients， there are two categories： hydrolyzed collagen and type II collagen. Hydrolyzed collagen is from many different sources， including bovine bone， cartilage， pig skin， and fish skin and scale. According to the type of collagen， there are type I collagen， type II collagen， and type III collagen. What are their basic concepts， what are the mechanisms of their action in improving health， how to distinguish between them， and what are the boundaries of their use. This article aims to clarify these issues. Objective： To review the application and mechanism of hydrolyzed collagen and type II collagen in health care. Methods： We searched CNKI and PubMed for related literature， and analyzed and discussed the included literature. Results and conclusion： The application and mechanism of hydrolyzed collagen and type II collagen in health care were comprehensively summarized， providing data for the development of new technologies and new products.

Keywords： type II collagen； hydrolyzed collagen； health products

[中圖分類號]R151.4 [文獻標識碼]A [文章編號]2096-5249（2018）04-001-04

1 概念

1.1 膠原的概念 膠原（ collagen）是一種不透明、白色、無支鏈的纖維蛋白質，是動物體內分布最廣，含量最多的蛋白質。多存在于體表的角質層，哺乳動物機體的某些組織中都有豐富的膠原。膠原的科學定義為： “細胞外基質（ECM） 的結構蛋白質，分子中至少應該有一個結構域具有α鏈組成的三股螺旋構象”[6]。通俗的概念：不溶于冷水、熱水[1]。有三螺旋結構，保留生物活性。

1.2 Ⅱ型膠原的概念：是膠原的一種類型。軟骨中較為多見，軟骨除去水分之外55%-65%是Ⅱ型膠原。Ⅱ型膠原參與軟骨的新陳代謝，與某些疾病的發生發展有關，如類風濕關節炎（RA）骨關節炎（OA） [4.5，6]。

1.3 膠原蛋白的概念：膠原蛋白又稱水解膠原蛋白，是膠原經過水解后的產物，即三螺旋結構的大分子膠原通過各種酶的降解，成多分散的直鏈蛋白，無生物活性，分子量在3000-10000D。利用不同的酶多次水解也可得到分子量在500-1000 D的膠原蛋白，有人稱其為“膠原肽”。水解膠原蛋白（膠原蛋白）溶于冷水和熱水[1]。膠原蛋白多肽、寡肽可以被人體吸收利用，是補充外源性膠原蛋白的主要渠道。

1.4 膠原與膠原蛋白：許多人容易混淆“膠原蛋白”與“膠原”的基本概念。簡單的說膠原是指有三螺旋結構，還保留生物活性的大分子蛋白，宏觀特點是不溶于冷水、熱水；膠原蛋白是膠原的水解產物，是分散的肽段，無三螺旋結構，無生物活性。[3]

1.5 膠原的生物活性：所說的生物活性是指具有三螺旋結構的大分子膠原生理結構沒有被破壞，在適宜的環境下可以有細胞的黏附和生長，此特性有許多試驗和文獻證明[8，9，10，11]；膠原蛋白（或稱水解膠原蛋白）因為沒有三螺旋結構，所以不存在上述的生理活性，但可以發揮其蛋白質的特有功效[5，11]。

2 膠原的分布及分類

動物的皮、骨、軟骨、牙齒、肌腱、韌帶、血管及肌腔韌帶等是膠原主要存在組織，角膜幾乎完全是由膠原組成的。哺乳動物體內蛋白質總量的 25%～30%由膠原構成，相當于體重的 6%[2]。膠原也是結締組織極其重要的結構蛋白，膠原占結締組織的約 20%～30%，其余60%-70%是水分。因為高含量的膠原的存在結締組織具有一定的力學性質，如張力強度、拉力、粘彈力等具有支持、保護的功能[1，3]。確認膠原的標準是：必須是細胞外基質的結構性組分及至少有一個由重復序列組成的三股螺旋結構域[3，6]。

3 保健品、化妝品、食品領域膠原蛋白應用原則及機制

3.1 使用時應遵循一致性原則：在普通保健品、化妝品、食品領域多是小分子的“膠原蛋白”。應用中要堅持材料來源與使用目標相一致的原則。即應用于皮膚的化妝品，原材料應來源于動物皮膚組織；應用于骨骼保健的產品，原材料應來源于動物骨骼組織；應用于軟骨保健的產品，原材料應來源于動物軟骨組織。其理論依據是：同一類型膠原，不同種系來源，組成和結構基本一致；原材料來源不一樣，其分子組成和結構，生物學性質也不盡相同。不同類型膠原無論同種還是異種，其組成和結構不一致[4，5]。目標相一致的原則能達到更好的健康保健效果。

3.2 作用機制：在化妝品、食品領域小分子膠原蛋白 （又稱水解膠原蛋白），作用的主要原理是其氨基酸特性。膠原蛋白中的氨基和羧基使膠原分子具有很高的表面活性和良好的生物相容性，對皮膚無刺激作用；膠原蛋白中富含最小的氨基酸甘氨酸（分子量75D），又富含水分，所以它的保濕性、通過性非常突出；膠原蛋白中富含羥脯氨酸，這是絕大多數蛋白質所不具備的； 羥脯氨酸的環狀結構以及在皮膚中的數量與皮膚的衰老有高度的正相關性；富含羥脯氨酸的年輕皮膚在電子顯微鏡下的起伏是像波浪一樣，但羥脯氨酸丟失的，膠原斷裂的衰老皮膚在電子顯微鏡下平滑如緞，這揭示了皮膚彈性的生理基礎。所以羥脯氨酸的數量和結構是維持皮膚彈性的重要生理支撐[1，2]。

3.3 營養性：補充羥脯氨酸等對人體有益的氨基酸，使皮膚中的膠原活性加強，可以給予含有膠原的皮膚層所必需的養分，保持角質層水分以及纖維結構的完整性，雖然羥脯氨酸不是必須氨基酸，雖然所有外源性物質包括氨基酸要變成機體的組織需要一系列的生理生化過程，但針對性的營養補充也是符合科學的[2]。

3.4 修復性：因為膠原蛋白屬于細胞外間質，是人體分布最廣、含量最多的蛋白質，膠原蛋白和周圍組織的親和性，相容性好，它具有修復組織的作用是其他蛋白質無法具備的。分析發現，祖國傳統養生理論中阿膠，海參，鮑魚，燕窩，魚翅這些名貴的補品，膠原蛋白的成分占有很大的比例[7]。

3.5 保濕性：膠原蛋白具有良好的保濕能力，是因為富含羥基等親水性基團，該羥基等親水性基團能攜帶大量的水分子，化妝品中添加的膠原濃度達到 0.01%時，即能供給皮膚所需的全部水分，并增加肌膚的含水量，提別是干燥地區，皮膚中結締組織保濕是皮膚良好的重要條件。

3.6 配伍性：膠原蛋白具有調節和穩定pH值。這一特性不僅在化妝品中使用，同時良好的電解液早已被電鍍行業作為高級電鍍制品使用。另一種功能就是穩定泡沫、乳化膠體的作用，在化妝品中可以減輕各種表面活性劑、酸、堿等刺激性物質對皮膚、毛發的損害[7]。

3.7 親和性：膠原蛋白對皮膚和頭發表面的蛋白質分子有較大的親和力，主要通過物理吸附與皮膚和頭發結合。膠原蛋白的親和性早在皮革的鞣制領域應用多年。膠原蛋白能耐漂洗，其親和作用隨其分子量的增大而增強，分子量小時可以滲入皮膚和頭發的表皮，有時還可以透過皮質層，達到營養皮膚的作用[2]。

4 膠原在醫學領域的應用及機理

在醫學、保健領域中的應用，多是大分子的“膠原”。主要原理是膠原特有的三螺旋結構所產生的生物學特性緊密相關。

4.1 膠原在組織工程化軟骨組織構建中的作用： Crane 在1995 年提出了組織工程的概念，軟骨組織工程已是當前組織工程研究的熱點。利用組織工程學方法，制造了許多種類的臨床移植替代物。因為膠原有以下特性成為被廣泛使用的生物材料。

4.1.1 低免疫原性：膠原作為醫用移植材料最重要的特點在于其低免疫原性（immunogenicity）。膠原雖然是大分子物質，但其結構重復性大。去掉兩端具有抗原性的C端和N端，其三螺旋部分種系的免疫原性很小。即不同種系（比如牛、豬、雞與人）同型膠原的三螺旋部分結構基本相同。所以同其它蛋白質相比，膠原的免疫原性非常低，這是其他蛋白質所不具有的重要特點[6]。

4.1.2 良好的組織相容性： 膠原材料另一優勢是它與細胞及組織之間良好的生物學組織相容性。膠原基質材料能成為細胞與組織正常生理功能整體的一部分，參與周圍細胞及組織新陳代謝[14]。

4.1.3 生物可降解性： 作為一種特殊的可生物降解的材料，胃蛋白酶等只能切斷膠原兩端的端肽（C端和N端），膠原的三股螺旋結構還保持完好。從這一點來說，膠原是不可降解的；但膠原酶能定點剪切大分子膠原，不同的膠原酶能準確的剪切不同的位點，被剪切的膠原片段可以成為具有特殊生物學作用的膠原結構，從而進一步發揮生物學作用[6，16]。

4.1.4 物理力學性能： 膠原的三股螺旋結構及交聯結構，使其具有很高的強度，是組織具備力學能力的結構基礎。膠原是為結締組織提供強度的主要蛋白成分，能在廣泛范圍內滿足機體對力學強度的要求。根據膠原的交聯特性，對于人工提取的膠原可用交聯劑進行交聯提高其強度，采用不同的交聯條件和使用交聯劑可獲得不同的強度和韌性。[7]

4.2 膠原在醫療其它領域中的作用

4.2.1“人造皮膚”： 即作為皮膚替代物，所謂“人造皮膚”是指在人體遭受創傷（比如燒傷）導致皮膚損傷或缺失時，能夠覆蓋和保護創面，誘導、吸附、促進細胞生長，使創面盡快痊愈，有此功能的生物材料均可稱之為“人造皮膚”。以膠原為主要成分的各種不同形式的皮膚替代物如膠原凝膠、膠原海綿等。其中膠原海綿對皮膚創傷后的修復作用比較明顯，原理是新生組織由海綿生長、分化進而取代病理皮膚，膠原海綿的結構在誘導、吸附、促進細胞生長方面更突出[2，14]。

4.2.2止血海綿：膠原用于止血的原理是，膠原能夠誘導血小板附著，同時可以激活血液的凝血因子，對已經損傷的位點起填塞作用，達到止血的目的[2，14]。臨床應用表明：膠原海綿與增凝明膠海綿、藻酸鈣、藻酸海綿及氧化纖維素等常用的止血劑相比，膠原海綿以其親水性強，吸水率大，止血時間短，粘附創面能力優異等特征，具有更好的止血性能，并且，膠原海綿作為止血材料具有創面干燥，不易發生感染，愈合迅速，副作用小特點，是一種理想的止血材料。

4.2.3基因傳送載體：重組的人骨形態基因蛋白-2（rhBMP-2）與膠原形成的復合物對骨的形成具有激化和促進。在骨形成過程中，膠原作為細胞外間質為骨形成和分化提供了場所，也就是骨形成過程的人工基質，膠原作為基因傳送材料有廣泛的探索意義[11，12，13]。

4.2.4角膜保護膜： 膠原可以制備成角膜膠原保護膜，以表面覆蓋接觸鏡的形式用作角膜敷料。角膜移植后的表皮愈合過程中，通過角膜膠原保護膜在眼睛表層分解形成一薄層膠原溶液，潤滑眼睛，使眼瞼對角膜的磨擦最小化，同時增加藥物與角膜的接觸時間，促進角膜上皮細胞的愈合[12，13，14]。

4.2.5 藥物輸送系統：微囊技術與藥物緩釋技術在藥物學中具有很重要的意義，膠原可以作為微囊技術的載體。其原理是，藥物大多通過氫鍵結合、共價鍵結合或被包裹的形式，被膠原膜承載，其被釋放的條件取決于膠原保護層的構造，如膜的過濾性、腐蝕、破裂等[2，16]。

5 Ⅱ型膠原（NC-2）的應用及作用機理[10-12]

5.1 Ⅱ型膠原因為其特有的來源、結構和生理特性越來越受到藥品、生物材料、食品、保健品領域的關注，特別是與關節疾病相關的營養、保健、治療方面。軟骨的來源注定是獨一無二的，它的生理作用也是不可替代的。

5.2 結構決定性質，Ⅱ型膠原在結構上有其獨特性：三條相同的α鏈[α1（Ⅱ）]3 ，以三螺旋結構的方式構成，膠原纖維按一定空間結構相互纏繞形成一定形狀的剛性骨架；透明質酸（HA）如同鎖鏈將游離的蛋白多糖（PG）單體固定于膠原纖維骨架之上；膠原纖維，蛋白多糖，透明質酸三者有機的結合在一起；這種結合奠定了軟骨組織的特有的結構與特殊的功能。由于蛋白多糖濃度很高，在膠原骨架之間形成了帶有負電荷，水含性極強的粘稠膠體，加之膠原纖維的力學骨架，使軟骨堅硬而富于彈性，具有了巨大的緩沖容量。

5.3 多數關節疾病與軟骨有直接和間接的關系。骨關節炎（OA）和類風濕性關節炎（RA）病患率很高。 骨關節炎（OA） 是指關節與關節軟骨的完整性受損，軟骨下骨板及關節邊緣骨病變有關的一組異質性疾病。即關節軟骨的退變和繼發性骨質增生的一種慢性關節病，是長期病因刺激導致的疾病，病因主要是損傷，感染，免疫三個方面。其炎癥反應與類風濕性關節炎的機理相近，即在原有損傷部位Ⅱ型膠原明顯減少，出現自身免疫傾向，T細胞攻擊關節組織所致。所以部分骨關節炎可以使用Ⅱ型膠原制劑。

5.4 類風濕性關節炎（RA） 是一種常見的以關節組織慢性炎癥病變為主要表現的全身性疾病。類風濕性關節炎的發生很可能是由于機體內的T細胞因子引起關節組織內部對特異性隱蔽抗原進行的自身免疫反應，在此過程中，軟骨基質被降解，軟骨及骨下組織遭到破壞，產生多關節滑膜炎癥和一些其它并發癥[8-9] 。有報道從分子和基因水平闡述RA發病機制，認為其主要的免疫原就是Ⅱ型膠原，Ⅱ型膠原誘導類風濕性關節炎（CIA， Collagen Induced Arthritis）的關鍵是 T 細胞對Ⅱ型膠原分子中256-270 肽段的識別作用[10-12]。因此，口服一定劑量Ⅱ型膠原能使機體產生口服免疫耐受（OT），從而控制類風濕性關節炎的癥狀[13]。作為一種外周免疫耐受形式的口服免疫耐受是指口服某種可溶性蛋白質抗原，導致局部腸相關淋巴組織 （GALT）特異免疫，從而抑制全身免疫應答?？诜蛐湍z原具體吸收利用路徑可能是Ⅱ型膠原口服進入胃中，在胃液的作用下膠囊或片劑崩解，釋放有效成分，我們知道Ⅱ型膠原容于弱酸卻不會被胃酸降解；在胃腸動力的作用下，Ⅱ型膠原進入小腸，小腸內有膠原酶，在膠原酶作用下，于甘-異亮位點定點剪切Ⅱ型膠原的三螺旋結構，形成多個具有抗原性的多肽[6]； 該多肽以其特有的抗原性首先啟動腸粘膜的B細胞，T細胞。建立免疫應答機制；然后，經腸粘膜的payer斑拱形區M細胞吸收進入循環系統；進入循環系統后再次激活免疫系統，產生免疫因子；免疫因子對病患部位逐步進行免疫耐受刺激，使病患部位停止對軟骨組織的侵蝕破壞，進而修復被損傷的軟骨[10，11，12，15]。

6 牛骨來源膠原蛋白的應用及作用機理

6.1 骨組織主要含有Ι型膠原，纖維粗大，因骨組織中含有大量的鈣，磷等無機物，和多糖等有機物結構復雜質地堅硬，難以提取具有三螺旋結構的Ι型膠原，骨組織來源的膠原類產品，市場上多是以水解膠原蛋白的形式出現。牛骨來源的水解膠原蛋白以其品質和作用廣受市場推崇。

6.2 骨質疏松癥是在遺傳、環境、飲食、運動等的共同作用下，影響高峰骨量以及骨量丟失并最終發展至骨質疏松。這些因素包括藥物、飲食、種族、性別以及生活方式。骨質疏松癥可分為三大類：一為原發性骨質疏松癥，它是隨著年齡的增長發生的一種生理性退行性病變，此類分為兩種情況Ι為絕經后骨質疏松，見于絕經不久的婦女；Π為老年性骨質疏松，多在65歲后發生。第二類為繼發性骨質疏松癥，它是由疾病或藥物因素所誘發的骨質疏松癥。第三類為特發性骨質疏松癥。針對骨質疏松的危害要特別強調落實預防。堅持長期預防性口服氨糖片和補充膠原是行之有效的預防策略。即除了合理膳食外，經常服用骨組織來源的膠原蛋白，因為組織來源相同，成分和結構也相同，所以補充的有效性會大大提高，其生物利用度會更高，保健效果更好[1，7]。

7 展望

隨著分子生物學，循證醫學的不斷深入發展，我們既要重視現代科學的證據，也要提煉傳統醫學的經驗。用現代科學的實驗去證實傳統醫學的經驗；用傳統醫學的經驗啟迪現代科學的思維。相信會有更多有關膠原和膠原蛋白的新技術新產品問世，其機理得到進一步的闡釋。

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作者簡介：李潔，男，主要從事實驗室管理，醫藥生物技術工作，E-mail：18701110860@163.com

通訊作者：王玉梅，女，主要從事醫學公共衛生工作，E-mail：1369197969@qq.com