膠原蛋白肽生理功能的研究進(jìn)展

毛瑞雪 劉睿 劉欣然 珠娜 李勇

摘?要：綜述膠原蛋白肽的生理功能，為膠原蛋白肽的開發(fā)和利用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：膠原蛋白肽;生理功能;皮膚衰老;骨質(zhì)疏松;糖尿病;抗氧化

目前，膠原蛋白或明膠在醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。隨著加工技術(shù)的進(jìn)步與成熟，生物活性肽的制備原料越發(fā)廣泛，膠原蛋白肽也受到了廣泛關(guān)注。

1?膠原蛋白肽概述

1.1?膠原蛋白肽的制備來源

膠原蛋白肽的制備來源廣泛，應(yīng)用較多的制備來源有豬、牛、水產(chǎn)（尤以魚類居多）等，羊、蛙類、家禽等也有報道[1-4]。我國為世界水產(chǎn)品大國，近年來水產(chǎn)動物源性的膠原蛋白肽逐漸受到更多的關(guān)注。

1.2?膠原蛋白肽的組成與特點

膠原蛋白肽中含有羥基脯氨酸和羥基賴氨酸，而其他蛋白質(zhì)中較少含有羥基脯氨酸，更不存在羥基賴氨酸。值得注意的是，賴氨酸和羥脯氨酸對于連接多肽和穩(wěn)定膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要作用。而水產(chǎn)動物膠原蛋白中的脯氨酸和羥脯氨酸含量較哺乳動物膠原蛋白低，因而其螺旋結(jié)構(gòu)的破壞溫度更低，分子結(jié)構(gòu)更易被酶解，并具有低抗原性、低過敏性的特點。因此，水產(chǎn)副產(chǎn)物如皮、磷、骨等正日益被認(rèn)為是膠原蛋白肽的優(yōu)質(zhì)制備來源，較哺乳動物來源更具有成本優(yōu)勢。

1.3?膠原蛋白肽的吸收與代謝

膠原蛋白肽和氨基酸的吸收轉(zhuǎn)運機(jī)制相互獨立。游離氨基酸以耗能的主動吸收方式進(jìn)入腸上皮細(xì)胞。而膠原蛋白肽則通過位于小腸上皮細(xì)胞刷狀緣膜的肽轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)運，可通過主動轉(zhuǎn)運、非耗能性Na+/H+交換轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和谷胱甘肽轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進(jìn)入血循環(huán)。相對于氨基酸載體的專一性，肽載體對肽的氨基酸結(jié)構(gòu)要求較小，且各種肽之間運轉(zhuǎn)無競爭性或抑制性。這種生理特性可使膠原蛋白肽對人體的不同生理狀態(tài)及膳食變化具有更大的適應(yīng)性，具有更高的潛在營養(yǎng)作用。

傳統(tǒng)營養(yǎng)理論認(rèn)為，游離氨基酸是各種組織細(xì)胞氨基酸的唯一來源，但大量研究證實，血液循環(huán)中存在的小肽也能夠有效地被多種組織利用，其在組織細(xì)胞中的代謝具體機(jī)制仍不清楚。另一方面，膠原蛋白肽雖不能通過腎臟從尿中排除，但腎臟組織中具有較高的肽酶活性，腎臟細(xì)胞可能具有將二肽降解后將游離氨基酸釋放入血的功能，再運送到身體其他部位被利用。

2?膠原蛋白肽的生理功能

2.1?改善皮膚衰老

皮膚衰老受多種因素的影響，其中，年齡增長所致的自然老化和陽光紫外線照射所致的光老化是皮膚衰老的主要誘因，表現(xiàn)為皮膚干燥、皮膚厚度減少、松弛度增加、色斑形成、代謝能力下降、面孔粗大、皺紋形成等。Proksch E等[5-6]開展的兩次雙盲隨機(jī)對照試驗中，經(jīng)過8周膠原蛋白肽干預(yù)，與安慰機(jī)組相比，膠原蛋白肽劑量組的受試者皮膚彈性顯著改善，眼睛皺紋體積顯著減少（20%），皮膚Ⅰ型膠原蛋白（65%）和彈性蛋白（18%）顯著增加，對真皮基質(zhì)合成有積極作用。另有多項動物實驗研究顯示，膠原蛋白肽干預(yù)可以顯著增加皮膚羥脯氨酸和膠原蛋白含量，促進(jìn)皮膚新生膠原的形成，使Ⅰ型/Ⅲ型膠原蛋白的比例正?；?，并可顯著增強(qiáng)皮膚中的抗氧化酶活性，進(jìn)而改善皮膚松弛程度[7-9]。

從病理組織改變而言，膠原蛋白肽干預(yù)可顯著減少皮膚膠原蛋白流失，修復(fù)膠原纖維。光老化皮膚HE染色切片表現(xiàn)為表皮局部增厚，厚度不均，皮膚膠原含量明顯減少，分層不明顯，膠原纖維斷裂成團(tuán)，膠原纖維和皮膚附屬器官排列紊亂。膠原蛋白肽干預(yù)后皮膚膠原蛋白的斷裂現(xiàn)象顯著改善（部分膠原蛋白肽干預(yù)組未觀察到皮膚膠原蛋白斷裂現(xiàn)象），皮膚膠原蛋白含量顯著增加，分層明顯清晰，膠原纖維和附屬器排列更為整齊。皮膚Masson染色切片觀察到膠原蛋白肽干預(yù)可使皮膚真皮膠原厚度顯著增加，顯著提升皮膚膠原纖維的直徑和黏多糖含量，并可抑制表皮局部增厚和UV-B引起的皮膚可溶性Ⅰ型膠原的流失[8，10]。

就基因與蛋白水平上而言，TGF-β/Smad通路已被證實可直接促進(jìn)Ⅰ型膠原蛋白A2和Ⅲ型膠原蛋白A1的mRNA表達(dá)水平。膠原蛋白肽可通過激活TGF-β/Smad通路，抑制激活蛋白-1、基質(zhì)金屬蛋白酶-1、基質(zhì)金屬蛋白酶-3蛋白的表達(dá)以減少膠原蛋白降解進(jìn)而總體促進(jìn)膠原蛋白的合成和光老化皮膚細(xì)胞的修復(fù)[8，11]。此外，對于光老化的皮膚，膠原蛋白肽干預(yù)可顯著下調(diào)皮膚胎盤生長因子-2、胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白-2/3，上調(diào)血小板因子4、絲氨酸蛋白酶抑制蛋白E1和轉(zhuǎn)化生長因子-β1的水平。同時，膠原蛋白肽干預(yù)可顯著下調(diào)血清中包括成纖維細(xì)胞生長因子-2、肝素結(jié)合性表皮生長因子、肝細(xì)胞生長因子、血小板衍生生長因子-AB/BB、血管內(nèi)皮生長因子、趨化因子配體1、基質(zhì)金屬蛋白酶-9、白介素-1α和白介素-10在內(nèi)的9種細(xì)胞因子水平，并上調(diào)轉(zhuǎn)化生長因子-β1和絲氨酸蛋白酶抑制蛋白F1水平[12]。

2.2?防治骨質(zhì)疏松

臨床研究結(jié)果顯示，膠原蛋白肽干預(yù)可增加絕經(jīng)后女性受試者脊柱和股骨頸骨密度[13]，抑制骨質(zhì)流失和骨膠原蛋白分解，增強(qiáng)抗骨質(zhì)疏松藥物的治療效果。膠原蛋白肽5 g+維生素D 200 IU+元素鈣 500 mg的鈣膠原蛋白螯合物干預(yù)12個月后，骨量減少的絕經(jīng)后女性受試者全身骨密度減少量顯著降低，硬化蛋白和抗酒石酸酸性磷酸酶同工酶5 b水平顯著降低，且骨特異性堿性磷酸酶/抗酒石酸酸性磷酸酶同工酶5 b比值顯著增高[14]。在肌注降鈣素后，接受膠原蛋白干預(yù)的絕經(jīng)后女性受試者尿吡啶排泄量、尿脫氧吡啶啉排泄量較單純降鈣素治療的受試者下降更為顯著（分別下降至56.22%和56.1%），且該趨勢在停止治療后的3個月仍然保持，提示膠原蛋白肽可增強(qiáng)抗骨質(zhì)疏松藥物的治療效果[15]。

動物實驗結(jié)果顯示，膠原蛋白肽能顯著改變血清骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物的含量，促進(jìn)Ⅰ型、Ⅱ型膠原蛋白、黏多糖、透明質(zhì)酸和蛋白聚糖的產(chǎn)生，減少破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收，增加成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成，進(jìn)而增加骨密度，改善骨力學(xué)和微結(jié)構(gòu)特征的惡化[16-17]。在鼠骨質(zhì)疏松模型或成骨細(xì)胞損傷模型中，膠原蛋白肽預(yù)防性和治療性干預(yù)可顯著改善大鼠X光片灰度值、轉(zhuǎn)化生長因子-β平均積分光密度，提升血清骨形成指標(biāo)骨堿性磷酸酶、I型前膠原氨基端前肽水平，增加股骨、股骨頭及第四腰椎骨骨密度和股骨骨骺黏多糖和Ⅰ型膠原蛋白的含量，顯著降低血清骨吸收指標(biāo)I型膠原C端肽、抗酒石酸酸性磷酸酶含量。Micm-CT骨微結(jié)構(gòu)在骨容積率、骨小梁數(shù)量及骨小梁厚度上也均有改善。骨關(guān)節(jié)HE染色結(jié)果顯示，模型組大鼠骨小梁數(shù)量減少，面積百分比下降，空腔面積擴(kuò)大，連接間隙較大，且可見部分骨皮質(zhì)斷裂，厚度變薄。膠原蛋白肽干預(yù)后，大鼠骨病理組織學(xué)明顯好轉(zhuǎn)[18-21]。另一方面，膠原蛋白肽干預(yù)可使股骨、脛骨的骨鈣含量顯著增加，骨礦物質(zhì)密度顯著更高，促進(jìn)鈣的吸收并調(diào)節(jié)骨骼的形成[22]。體外實驗結(jié)果顯示，膠原蛋白肽可提高成骨細(xì)胞的堿性磷酸酶活性，顯著抑制巨噬細(xì)胞RAW264.7細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞[23-24]，促進(jìn)成骨細(xì)胞MC3T3-E1的增殖和分化，促進(jìn)骨基質(zhì)礦化[25]。

2.3?防治2型糖尿病

醫(yī)學(xué)營養(yǎng)治療是糖尿病疾病控制的重要環(huán)節(jié)，臨床研究顯示，膠原蛋白肽可改善我國2型糖尿病患者的血糖水平及血脂代謝，接受膠原蛋白肽干預(yù)的患者與對照組相較，其空腹血糖、糖化血紅蛋白A1c、空腹血液胰島素、總甘油三酸酯、總膽固醇、低密度脂蛋白和游離脂肪酸水平均顯著降低，胰島素敏感性指數(shù)和高密度脂蛋白膽固醇水平升高。同時，接受膠原蛋白肽干預(yù)的患者自身前后對照，其血清高敏C反應(yīng)蛋白、一氧化氮水平顯著降低，緩激肽、前列環(huán)素和脂聯(lián)素水平顯著升高[26]。此外，糖尿病患者無論是否合并高血壓，其血清細(xì)胞色素P450、瘦素也有下降趨勢[27]。

在動物實驗中，膠原蛋白肽對于高胰島素血癥模型大鼠（高脂飼料誘導(dǎo)）、高血糖模型大鼠（四氧嘧啶誘導(dǎo)）和2型糖尿病模型大鼠（高脂飼料+鏈脲佐菌素誘導(dǎo)）均顯示出保護(hù)作用[28]，可顯著改善模型大鼠血糖水平和胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)，并下調(diào)2型糖尿病相關(guān)的氧化應(yīng)激和炎癥水平，保護(hù)胰腺β細(xì)胞免于凋亡。4周膠原蛋白肽可顯著改善高血糖模型大鼠的血糖、胰島素水平，顯著提升HOMA-IR和胰島素敏感性指數(shù)。同時，還可抑制大鼠頸動脈血管內(nèi)皮細(xì)胞的變薄和炎癥滲出，改善肝臟脂肪變性，其機(jī)制可能是通過上調(diào)骨骼肌中4型葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白和肝臟中過氧化物酶體增殖物激活受體-α的表達(dá)水平，降低氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物、炎性細(xì)胞因子和脂肪細(xì)胞因子的表達(dá)[29-30]。在2型糖尿病大鼠模型中，在接受牛血清白蛋白組干預(yù)的對照組中，大鼠空腹血糖水平、Fas表達(dá)水平和胰島細(xì)胞凋亡的頻率更高，血清腫瘤壞死因子-α、干擾素-γ和丙二醛水平升高，但超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶含量較低。經(jīng)過膠原蛋白肽干預(yù)的大鼠其空腹血糖水平、Fas系統(tǒng)表達(dá)水平、凋亡胰島細(xì)胞的頻率和血清腫瘤壞死因子-α，干擾素-γ和丙二醛水平顯著降低，而超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶水平升高[31-33]。在體外，膠原蛋白肽可部分緩解高糖介導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞凋亡并降低細(xì)胞凋亡的生物標(biāo)志物水平[29]。

2.4?其他生理功能

2.4.1?抗氧化性?自由基可引起蛋白質(zhì)、多不飽和脂肪酸、細(xì)胞膜和DNA結(jié)構(gòu)和功能的改變。正常細(xì)胞中存在著含超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶等豐富的抗氧化系統(tǒng)。隨著衰老過程，人體抗氧化物質(zhì)水平逐漸下降，脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物如丙二醛等逐漸增加，導(dǎo)致身體的氧化應(yīng)激狀態(tài)。研究表明，膠原蛋白肽具有很高的抗氧化活性，可通過提高超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶水平，降低脂氧合酶活性、丙二醛和一氧化氮（NO·）自由基水平[34-35]。此外，膠原蛋白肽對2，2′-聯(lián)氮雙（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽自由基、DPPH自由基和還原鐵的抗氧化劑具有良好的清除活性，可有效抵抗C518細(xì)胞中H2O2引起的細(xì)胞氧化損傷[36]。

2.4.2?緩解肝功能損傷?在急性乙醇中毒的大鼠模型中，膠原蛋白肽預(yù)防性干預(yù)（在注射乙醇之前）可以顯著降低血乙醇濃度，緩解乙醇導(dǎo)致的運動協(xié)調(diào)性喪失。膠原蛋白肽干預(yù)（在注射乙醇之前/后）均可改善乙醇所致的翻正反射消失的催眠狀態(tài)[37]。此外，膠原蛋白肽可顯著降低血清谷草轉(zhuǎn)氨酶和谷丙轉(zhuǎn)氨酶水平，增加超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性，并降低了丙二醇水平[38]。在乙醇誘導(dǎo)的早期肝損傷大鼠模型中，膠原蛋白肽可以逆轉(zhuǎn)血清轉(zhuǎn)氨酶水平、總膽固醇和三甘油酯水平的升高，并減輕肝臟損害。但是，大鼠肝臟和血清中乙醇脫氫酶的含量未見明顯差異，提示膠原蛋白肽對大鼠早期酒精性肝損傷的保護(hù)作用機(jī)制可能是通過其抗氧化活性和對脂質(zhì)代謝的改善[39]。

2.4.3?促進(jìn)傷口愈合?體外劃痕試驗表明，膠原蛋白肽對劃痕閉合有顯著促進(jìn)作用[40]。對于剖腹產(chǎn)大鼠模型大鼠，膠原蛋白肽干預(yù)可顯著提高大鼠皮膚抗張強(qiáng)度，子宮破裂壓力和羥脯氨酸含量，促進(jìn)毛細(xì)血管、成纖維細(xì)胞和膠原纖維的形成，增加血小板-內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子-1，堿性成纖維細(xì)胞生長因子和轉(zhuǎn)化生長因子β-1的表達(dá)[41]。在糖尿病鼠模型中，膠原蛋白肽也表現(xiàn)出良好的促進(jìn)傷口愈合的作用[42]。

2.4.4?增強(qiáng)免疫功能?膠原蛋白肽可顯著增強(qiáng)刀豆蛋白A誘導(dǎo)的淋巴細(xì)胞增殖能力、抗體空斑形成數(shù)量、自然殺傷細(xì)胞活性，并可提升小鼠脾臟CD4+ T輔助細(xì)胞的百分比和IL-2、IFN-γ、IL-5、IL-6細(xì)胞因子的分泌。然而，在我們的研究中沒有觀察到體重增加、淋巴器官指數(shù)和吞噬能力的顯著差異[43]。對于輻照所致的免疫低下模型小鼠，膠原蛋白肽可顯著提高輻照小鼠的存活率，其可能的機(jī)制為膠原蛋白肽干預(yù)可提高血清IL-12水平，緩解輻射導(dǎo)致的小鼠T/B淋巴細(xì)胞增殖抑制，通過誘導(dǎo)脾臟IκB表達(dá)和抑制脾細(xì)胞凋亡降低NF-κB的水平，從而改善小鼠的免疫功能[44]。

2.4.5?提高學(xué)習(xí)記憶?與老年對照組相比，膠原蛋白肽干預(yù)可顯著改善老年小鼠被動回避和空間學(xué)習(xí)記憶能力，其可能的作用機(jī)制包括減少海馬神經(jīng)元凋亡，上調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)，調(diào)節(jié)突出可塑性，緩解小鼠氧化應(yīng)激狀態(tài)等[45]。

2.4.6?抑制自發(fā)腫瘤?在膠原蛋白肽的長期干預(yù)下，雌雄大鼠的平均生存時間要明顯長于對照組，自發(fā)腫瘤率和腫瘤多發(fā)性均有一定程度下降。對于雌性荷瘤SD大鼠，其平均生存時間均有顯著性延長，且呈現(xiàn)一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系[46]。

3?膠原蛋白肽應(yīng)用展望

我國作為農(nóng)產(chǎn)品大國，動物源性農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)量巨大，膠原蛋白資源豐富，但利用率不高，深加工工藝亟待優(yōu)化。隨著生物酶解技術(shù)的發(fā)展，膠原蛋白肽的開發(fā)與研究受到廣泛關(guān)注。雖然膠原蛋白肽仍處于初步臨床研究階段，但已有大量研究證實，膠原蛋白肽具有延緩皮膚衰老，防治骨質(zhì)疏松、糖尿病，抗氧化，緩解肝功能損傷，促進(jìn)傷口愈合，增強(qiáng)免疫力，改善學(xué)習(xí)記憶等多種功能，應(yīng)用潛力巨大。未來膠原蛋白肽的研究方向應(yīng)重點放在不同種類膠原蛋白肽結(jié)構(gòu)、功效肽段的鑒定，釋放機(jī)制、生理功能、結(jié)合受體、代謝途徑的闡釋，醫(yī)藥、食品的開發(fā)與應(yīng)用研究幾個方面。相信隨著生產(chǎn)工藝的優(yōu)化、醫(yī)學(xué)研究的深入，膠原蛋白肽在食品加工、營養(yǎng)保健、臨床治療、醫(yī)療美容、醫(yī)用耗材等眾多領(lǐng)域會擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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