膠原蛋白在臨床醫學中的應用

摘要：目的 為了推動膠原蛋白生物材料向縱深發展，對其在臨床醫學中的應用以再評價的方式進行更加深入的研究。 方法 結合多年的工作實踐和經驗并查閱近幾年年來的相關文獻資料，對膠原蛋白基生物材料的臨場研究和應用進行闡述。結果 根據其生物學的性能、質量控制、劑型與臨場的應用、免疫原性與臨場副反應、市場發展潛力等5個方面進行再評價。結論 膠原蛋白基生物材料的臨場應用具有很大的市場發展空間和潛力。

關鍵詞：膠原蛋白；生物材料；臨床應用

膠原蛋白是機體內蛋白質體系中的一個大家族，經過數十年來的研究和發展現在已經發現并且確認了25種類型的膠原蛋白[1]。膠原是由3條多肽鏈組成的蛋白質，并且每一條鏈都有一個典型的氨基酸序列，I型膠原蛋白的各級結構共分為三種：一級結構是組成膠原蛋白多肽鏈的氨基酸序列：二級結構是指膠原蛋白分子由3條左手螺旋的多肽鏈組成；三級結構是指這3條左手螺旋的多肽鏈相互纏繞形成一個在中心分子軸周圍的右手螺旋。較為完整的膠原蛋白分子的長度大約為280nm，直接大約為1.5nm；但是在I型膠原原纖維的二維結構當中，膠原分子是通過一個或者多個4D距離與另一個膠原分子交錯，因為膠原分子的長度大約是4.4D，所以膠原分子的交錯引起約有0.4D的折疊區和大約0.6D的缺損區。

1 膠原蛋白的生物學性能

1.1 物理和生物力學性能 組織的物理性能隨著膠原蛋白纖維量和結構變化而不同，膠原蛋白存在于特定的結構部位，但是根據它們各自功能在不同的組織中以不同的構型排列[2]。膠原蛋白在腱和韌帶中由于高抗拉強度的要求而以平行的方式進行排列，皮膚中的纖維則以隨機的方式排列，進而提供組織在壓力下的彈性。膠原蛋白的其它結構，如眼睛晶狀體的透明性、耳朵的形成、鼻子的傾斜也是由膠原蛋白纖維提供的，軟骨是富含膠原蛋白的組織，在軟骨中的兩個主要生理功能是：維持形狀和提供關節軸承受面。

1.2 生理化學性能

1.2.1 靜電學性能 膠原分子大約有240個賴氨酸和精氨酸。這些基團在生理條件下都帶有電荷，并且通過改變環境中的ph可以改變原纖維內的靜電狀態。

1.2.2 離子和大分子結合性能 在自然狀態和生理條件下，膠原分子有大約60個自由羧基，而且這些基團有結合陽離子的能力，然而離子結合的程度在易溶鹽（硫氰酸鉀）存在的情況下能夠大幅度的提高，它破壞了鹽鍵或者改變了pH偏離膠原的電點。

1.2.3 成纖維性能 天然的纖維在組織中常常以特定的順序組織起來，在生理條件下，膠原分子形成自然排列，通過改變分子之間的相互作用的狀態可以形成各種多晶型分子聚集體。

1.3 生物學性能

1.3.1 止血性能 天然膠原聚集體是一種很好的止血劑，根據研究得出的普遍結論是血小板首先黏附于膠原蛋白的表面，誘導血小板釋放，然后在使血小板聚集最終產生止血栓。膠原的止血活性依賴于膠原聚集體的大小和分子的天然結構，變性的膠原誘導止血是無效的。有關實驗表明膠原蛋白能夠有效的誘導血小板聚集，并且與二磷酸腺苷進行對比，膠原蛋白誘導不受初始劑量、濃度等因素的影響，表現迅速而且徹底。

1.3.2 細胞行為作用性能 膠原是形成器官和組織必不可少的構造骨架，研究發現很多細胞如上皮和內皮細胞滯留在膠原表面或者膠原基質以內，例如：許多結締組織細胞的基質。在發育階段的兒童或者成人的傷口愈合和組織改型期間，膠原蛋白和細胞的相互作用是一個必不可少的特征，研究膠原細胞之間的相互作用對于開發模擬組織和器官結構以及調查研究在體內模擬系統中的細胞行為十分有用，并且很多研究的目的是在體外開發用于移植能夠生長發育的組織和器官。

1.3.3 細胞功能的調節性能 細胞外基質是由膠原蛋白、纖維連接蛋白、粘連蛋白、層粘連蛋白、硫酸肝素、硫酸軟骨素、透明質酸等組成的，ECM和細胞支架有相互作用，這些作用可以將化學和機械信號通過細胞膜上的受體進行轉換，并且導致細胞形態、蛋白質和其它細胞功能發生變化。在ECM與細胞膜成分之間的相互作用關系中，膠原蛋白能夠直接與細胞膜的受體作用或者間接與ECM中的糖蛋白或糖胺聚糖作用，而對細胞膜的受體施加影響進而達到參與細胞行為的調控作用。

2 質量控制

由于膠原蛋白產品的最終使用目的是臨床，因此為了確保臨床應用的安全性和有效性，對其生產過程要進行嚴格的質量控制，應該做到以下幾點：①對膠原蛋白提取的原料進行嚴格的控制，尤其是要重視動物自身各種病毒、寄生微生物的檢驗檢疫，以及原材料的處理徹底。②從生產上來進行控制，在原膠蛋白的分離到純化過程里： a.要注意全部操作在低溫，潔凈廠房內進行，所有直接或者間接與制品接觸的物件及器具必須消毒，并且要避免在操作過程中帶入污染，尤其是熱原；b.對所有使用的任何化學試劑要做殘存量分析； c.階段是純化目標蛋白。③對最終產品的質量控制，膠原蛋白的制品不論形式其最終的產品都需要經過滅菌的程序，必須認真對待。針對最終的產品要選擇合適的滅菌方法，對于大規模的膠原蛋白制品而言，大規模生產中的常規滅菌方法主要有環氧乙烷滅菌法和除菌過濾法。為了能夠確保滅菌的切實效果，除了對最終的產品進行無菌的監測外，對滅菌的工藝和滅菌的設備也要進行相應的驗證。

3 劑型與臨床應用

3.1 膠原蛋白產品的劑型 用上述方法獲得的純膠原可以直接用于人體，也可以通過各種加工方式獲得特殊的臨床應用價值的醫療裝置，因此針對臨床應用的適宜性和可操作性，可以采用不同的加工工藝制備不同劑型的膠原蛋白產品，以膠原為基質制成不同形狀的膠原蛋白基生物材料可以更加廣泛的用于臨床。當前應用較多的劑型有膜劑型、多孔基質、凝膠劑型、溶液劑型和纖維狀劑型和復合劑型。

3.2 膠原蛋白的臨床應用 海綿狀的膠原蛋白制品除了良好的組織形容性外，其海綿狀結構還具有良好的滲水和吸水能力，局部止血應用時可以起到很好的吸收出血的作用，膠原蛋白在局部加強了血小板的黏附于聚集，進而啟動了內源性的凝血途徑，同時膠原蛋白對創面有很好的黏附性，一般情況下只需較短時間的壓迫就可以達到滿意的止血效果，使用起來十分方便。與其他的止血材料單純的止血作用相比，膠原蛋白在促進組織再生和功能恢復方面有獨特的效果，對于創傷局部止血以后的愈合與恢復十分有利。下面以最常見和使用最廣泛的蛋白質海綿為例，詳細介紹目前膠原蛋白海綿在各個臨床領域中的應用情況：

普外科應用：手術創傷必然會引起不同程度的出血和滲血，直接影響了手術的治療效果，手術中采用物理、機械或化學的止血方法均存在一定的局限性和副作用，而膠原蛋白類的止血敷料則是一種有益的補充，例如：膽囊切除手術、T管引流手術、闌尾切除手術、胃大部切除手術、肝葉切除手術、胰十二指腸切除術、左半或右半結腸切除手術、脾臟切除等相關手術均能獲得穩定而滿意的止血效果。在大多數的手術操作中，一般應用1～2片膠原蛋白海綿在切除的斷端或出血的局部短暫壓迫即可達到止血的目的。

口腔科應用：最常見的是患者因為各種不同的牙齒或牙周組織病變需要拔除患牙，使用膠原蛋白海綿置入牙槽窩之后，能夠迅速的被血液所溶解，與牙槽窩緊密粘連在一起，達到了所設想的快速止血的效果，而且膠原蛋白海綿沒有異物反應，降解速度也非常的快。

血管外科的應用：對于動脈瘤、血管瘤等，手術均是首選的治療方法，對于止血只需將膠原蛋白海綿裁成適當的形狀，覆蓋在出血處上并加以適當的壓迫和固定。而且對于血管瘤也有很好的止血作用。除了上述這些臨床應用之外，膠原蛋白海綿作為一種局部止血的有效手段，還可應用于許多臨床實踐當中。

4 結論

綜上所述，膠原蛋白基生物材料的臨床應用具有很大的市場發展空間和潛力，但要清醒地看到其本身存在的不足和缺陷。例如經過制備后的膠原蛋白產品，其拉伸強度較弱；純膠原蛋白在體內降解較快，以及存在潛在的抗原性等[3]。因此大家都在探索解決這些問題的方案，我們認為可從以下2個方面考慮：①用化學或物理的方法對膠原蛋白進行交聯或修飾，不僅能增強純化后天然膠原的性能，并且能提高和改善其它性能。②將膠原蛋白與其它生物材料復合，如其它蛋白質、多糖類以及無機鹽或有機高分子生物材料等，不僅能改善膠原蛋白的各項性能，而且能拓寬膠原蛋白基生物材料的臨床應用。

參考文獻：

[1]劉慧玲，王棟，章金剛.膠原蛋白在臨床醫學中的應用[J].北京生物醫學工程，2005，（06）：42-45.

[2]高鵬，馮明建，代龍.膠原蛋白在臨床治療破潰類皮膚疾病中的應用概況[J].中醫雜志，2010，（10）：31-34.

[3]盧曉琳，胡勤剛.膠原蛋白在醫學中的應用研究現狀[J].空腔醫學研究，2009，（12）：108-111.編輯/許言