導(dǎo)語：膠原在生物醫(yī)學(xué)中的作用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1膠原作為生物材料的優(yōu)勢

1.1低免疫原性

膠原作為醫(yī)用移植材料最重要的特點在于其免疫惰性,與其它具有免疫性(immunogenicity)的蛋白質(zhì)相比,膠原的免疫原性非常低。特別是在膠原以膠原組織(tissue-based)和純化膠原形式使用時,這一優(yōu)勢更為明顯。80年代對各種膠原產(chǎn)品的免疫原性進行測定時發(fā)現(xiàn),所產(chǎn)生的免疫應(yīng)答是由存在于膠原產(chǎn)品中的極少量的非膠原蛋白引起的。產(chǎn)生免疫性的另一原因是材料中存在著變性膠原,膠原的單根肽鏈比天然的未遭破壞的膠原螺旋分子表現(xiàn)出較高的免疫原性。

這可能是因為膠原受到破壞而變性時,將原來隱匿在內(nèi)部的抗原決定簇暴露出來,從而引起了免疫應(yīng)答。90年代以前,人們一直認為膠原沒有免疫原性。但后來的研究發(fā)現(xiàn),膠原可表現(xiàn)出一定的免疫原性。例如,在制備哺乳動物膠原的單克隆抗體時,發(fā)現(xiàn)Ⅰ型膠原的免疫原性比Ⅲ型、Ⅴ型、Ⅵ型膠原低得多。將組織膠原的端肽(telopeptides),螺旋微區(qū)(domain),以及其它微區(qū)的免疫原性進行對比,發(fā)現(xiàn)端肽的免疫原性最強。因而,在制備可溶性膠原醫(yī)用產(chǎn)品時,應(yīng)除去膠原的端肽。但對以組織基使用的膠原材料,則應(yīng)保留端肽,目的是保存交聯(lián)位點,賦予組織材料所需要的完整結(jié)構(gòu)。研究還發(fā)現(xiàn)用戊二醛交聯(lián),可部分降低膠原材料的免疫原性。

1.2細胞—基質(zhì)間的相互作用

膠原基材料另一優(yōu)勢,在于它與宿主細胞及組織之間良好的相互作用。膠原基材料無論是在被吸收前作為形成新組織的骨架,還是被吸收同化進入宿主,成為宿主組織的一部分,都與細胞周圍的基質(zhì)有著良好的相互作用,表現(xiàn)出相互影響的協(xié)調(diào)性,并成為細胞與組織正常生理功能整體的一部分。膠原可促進不同類型細胞生長,如Ⅰ型膠原可用于培養(yǎng)各種不同類型的細胞。細胞與膠原之間的相互作用機理取決于細胞的類型,相互作用可能直接通過特異性的受體,但更常見的是由特殊的粘結(jié)蛋白,如纖維結(jié)合素等中介的相互作用。膠原基材料的另一特點,是除了可增加細胞的粘結(jié)外,還能改善細胞的生長、分化與移動。膠原在與其它胞外基質(zhì)分子的綴合中,具有可支撐多種不同類型細胞的生長與功能的特點。這一能力促進了膠原基生物材料在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.3與血小板的相互作用

膠原對血小板有凝聚作用,可形成血栓阻止流血,因而可用于制備凝血材料。血管壁的內(nèi)皮層發(fā)生損傷流血時,靠近受傷部位的血小板便與內(nèi)皮下的結(jié)締組織直接接觸,進而使血小板活化、釋放出顆粒成分,進行凝血。正因為如此,在使用膠原或膠原復(fù)合物制備心血管裝置時,要特別注意防止或抑制、隱匿膠原與血小板之間的相互作用。目前采用的方法之一是用戊二醛對膠原醫(yī)用裝置材料進行交聯(lián),這種方法可減少膠原與血小板間的相互作用?，F(xiàn)更多采用的方法是用聚合物交聯(lián)以覆蓋膠原表面,或用如肝素的化合物涂敷膠原表面,阻止其與血小板的作用。

1.4纖維的再形成性

經(jīng)純化的可溶性膠原在膠原基生物材料中占有重要地位,其主要性質(zhì)之一是可在體外再次形成與天然膠原纖維相似的有序纖維狀結(jié)構(gòu)。在制備可溶性膠原時,雖然已通過酶的作用除去了膠原分子的端肽,但可溶性膠原在體外的再形成過程仍然存在。使用可溶性膠原的另一優(yōu)勢在于其免疫原性被大大減弱,又能形成纖維,獲得了與原有結(jié)構(gòu)相似的堆砌,從而有利于細胞———基質(zhì)間相互作用的分子過程。利用可溶性膠原的纖維再生性質(zhì),還可將其制備成適合于移植用的膏狀注射物或海綿等結(jié)構(gòu)。

1.5機械性能

以組織基膠原使用的膠原裝置,固有強度是其重要的優(yōu)勢。生物體中,膠原是為結(jié)締組織提供強度的主要蛋白成分,因而可能在廣泛的范圍內(nèi)滿足肌體對機械強度的要求。膠原纖維具有很高的機械強度的重要原因,在于膠原中的天然交聯(lián),在制備組織膠原裝置時應(yīng)盡量加以保留。制備過程中,還應(yīng)盡可能地保留組織基膠原中的蛋白多糖,以維持膠原固有的卷曲。膠原的這種結(jié)構(gòu)特點有利于組織在受到外力作用時能量的耗散,使膠原避免破裂。

2不同形式的膠原基生物材料

以膠原為主要或唯一組分制備醫(yī)用材料,已有大量的報導(dǎo)與專利。雖僅是部分摘錄,但也已表明膠原基產(chǎn)品在多個醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。其中一部分已進入人體實驗、部分限于動物實驗,有些已步入商品階段。膠原在以上某些領(lǐng)域使用時,因需求量或因其它替換材料的價格低,成為商品的可能性較小。但膠原的多功能性,特別是膠原可與其它重復(fù)物因子一起成為復(fù)合體的特點,便獲得了合成高分子不可替代的應(yīng)用機會。

3膠原基生物材料的制備

3.1不溶性膠原

主要指以膠原組織基形式和由碾碎的膠原制備的生物醫(yī)用膠原材料。這種膠原材料的制備比較簡單,但要把膠原的免疫原性降低到最低限度,還需要一些其它的處理。例如,可用無花果蛋白酶對膠原進行溫和處理,除去非膠原性蛋白質(zhì)。處理時要防止膠原的降解,并注意不能因除去蛋白多糖而增加了膠原裝置的剛性,損害膠原固有的綜合機械性能。在用膠原組織直接制備生物裝置時,須盡可能縮短從屠宰到制備期的時間間隔,以減少膠原的自溶性與降解程度。

3.2可溶性膠原

用酶處理已絞碎的皮膚組織,通常使用的是酸性蛋白酶———胃蛋白酶。胃蛋白酶可切去膠原肽鏈端肽的交聯(lián)區(qū),而且在胃蛋白酶作用所需的酸性pH條件下,膠原組織將發(fā)生膨脹、進而溶解。再提高反應(yīng)體系pH至中性,使胃蛋白酶失活,或在對膠原進行純化的過程中除去胃蛋白酶。實驗室中最常見的純化方法是:在酸性或堿性pH條件下,用NaCl對膠原進行分級沉淀。酸或堿處理也可用來制備可溶性膠原,缺點是這種方法易引起膠原螺旋區(qū)結(jié)構(gòu)的斷裂,而且不能有效地除去端肽;而酶處理卻可通過降低非膠原污染物或從膠原分子上除去端肽,從而降低膠原的免疫原性。

3.3增強膠原基材料的強度

天然的膠原組織都有很高的強度,但是當膠原基裝置由可溶性膠原制備時,強度則很低。因而通常采用交聯(lián),在膠原分子間引入新的化學(xué)鍵,以使產(chǎn)品獲得適當?shù)膹姸榷糜谔囟ǖ那闆r。交聯(lián)的另一目的,是減少天然的、未經(jīng)處理的膠原基體的免疫原性。此外,還可用交聯(lián)來控制膠原基生物材料的使用壽命,交聯(lián)在制備實用性的膠原基生物材料中具有十分重要的作用。對膠原進行交聯(lián)可采用物理交聯(lián)與化學(xué)交聯(lián)兩種途徑。在對膠原進行交聯(lián)處理時,不僅要考慮所用方法的交聯(lián)強度,更重要的是要考慮所用方法產(chǎn)生的穩(wěn)定性、毒性、趨鈣化以及抗酶降解性能等。

可使用的化學(xué)交聯(lián)劑有:甲醛、雙醛淀粉、戊二醛、其它雙醛、二異氰酸酯(特別是六亞甲基二異氰酸酯)、水溶性碳化二亞胺、脂肪族環(huán)氧化物、氰尿酰氯、?；B氮,以及由染料中介的光氧化反應(yīng)等。與化學(xué)法相比,物理法的通用性較差,僅限于對純化膠原重組產(chǎn)品的交聯(lián)處理。物理交聯(lián)法的優(yōu)點是沒有引入任何有毒物質(zhì)。已有研究表明,采用高能輻射、紫外輻射、干熱處理等都可十分有效地實現(xiàn)某些反應(yīng),而且不會在蛋白分子中引入新的基團,只是作用機理還待研究。

4膠原基生物材料的應(yīng)用

4.1心臟瓣膜

用機械瓣膜置換第一大動脈和左房室瓣膜的首例手術(shù)始于60年代初,不久便引入了大主動脈的同種移植瓣膜。之后,由于研制出了組織狀膠原基裝置商品,為特定的患者提供了能有效代替機械裝置的多種異種移植,豬的大主動脈瓣膜是使用最廣泛的天然組織心臟瓣膜的替代物。心包裝置主要由牛心包組織構(gòu)成,切割牛的心包組織并將其排列成心瓣狀,主要為三小葉狀,并與天然的瓣膜結(jié)構(gòu)相近。與大主動脈瓣膜相比,主動脈瓣前尖的厚度較大,而且聯(lián)結(jié)的輪廓清晰。這些裝置的膠原結(jié)構(gòu)輪廓分明,在加工過程中也出現(xiàn)了與豬瓣膜相似的變化,所有組織基瓣膜都經(jīng)過戊二醛的交聯(lián)化處理。為了避免產(chǎn)品過度硬化,戊二醛的使用濃度應(yīng)比較低。

這兩種膠原基醫(yī)用裝置的主要優(yōu)點是:強度高、耐久性長。雖然它們也會隨著時間的推移而出現(xiàn)變質(zhì)現(xiàn)象,但變化速度緩慢,不會象機械裝置發(fā)生突然損壞。生物瓣膜的另一突出優(yōu)點是引發(fā)血栓栓塞并發(fā)病的頻率比較低,患者不必進行長期的抗凝治療。在目前對心血管疾病的治療中,常同時使用生物型與機械型的裝置,到底選擇那一種裝置取決于患者的特定情況。比如為了避免抗凝治療,妊娠中的婦女傾向于使用生物型裝置,因為用于抗凝治療的藥物常可通過胎盤進入嬰兒。生物型裝置的缺點之一是植入人體后的鈣化問題,據(jù)統(tǒng)計,使用生物型裝置,易發(fā)生的事故中,86%是因鈣化所致,而且大部分起因于鈣化和瓣尖撕裂的雙重作用。鈣化一般隨著移植后時間的延長而增加。

在大多數(shù)患者中,鈣化在移植3年后便明顯起來;但在某些患者身上,移植后歷經(jīng)10年還沒有任何癥狀。一般而言,組織基膠原瓣膜在頭10年使用期內(nèi)性能良好?，F(xiàn)在,材料學(xué)家正竭力合成新的醫(yī)用瓣膜材料,目的是大幅度延長材料的使用壽命,減少二次手術(shù),減輕患者痛苦。

4.2血管修復(fù)

由于心血管疾病日益增加,對替換血管裝置的要求越來越多。因手術(shù)需求不同,則需要不同直徑的裝置,如直徑小于1.5mm的微動脈置換器,這種置換操作需在顯微鏡下進行;可在一般手術(shù)條件下進行的直徑為1.5~4mm的小型心血管置換器;以及大直徑置換器等。目前,在胸、腹及一些外周手術(shù)中,則使用了一些由合成材料聚酯制備的性能良好的大直徑裝置。

對生物材料在這一領(lǐng)域使用的要求主要是制備小直徑置換器,例如,對于冠狀旁路手術(shù)來說,極有價值的途徑是采用自身隱動脈或乳動脈。但約有30%的患者,因不能采用自身材料,就需要其它生物材料。生物組織基心血管裝置的主要優(yōu)勢是直徑小于5mm的心血管置換器,與合成材料相比,生物材料的多樣性為改善置換器的性能提供了有利條件。合成的生物組織基這兩類心血管導(dǎo)管都已被用于血管的替換。如經(jīng)過改性和穩(wěn)定化處理的生物導(dǎo)管,象臍靜脈導(dǎo)管、膠原導(dǎo)管等。但天然組織基裝置多數(shù)缺乏耐久性,如用牛動脈血管進行修復(fù),就因其耐久性差,以及動脈瘤擴張問題而導(dǎo)致失敗。

與用合成的生物醫(yī)用材料制備的裝置相比,膠原基裝置還具有感染性低、宿主組織能向裝置中滲入生長而不需要高密度孔結(jié)構(gòu),以及可與天然血管在物理性質(zhì)上較好的匹配等優(yōu)點。

4.3可溶性膠原

膠原經(jīng)純化后可制成注射膠原。這類膠原產(chǎn)品的優(yōu)勢在于它的非免疫性、可再次形成與天然膠原纖維相似的纖維結(jié)構(gòu),并與宿主細胞和其它結(jié)締組織成分保持正常的相互作用?？扇苄阅z原在適當?shù)木彌_液中,加熱至體溫時,便可在組織中原位形成纖維,或在進入組織之前形成纖維。在后一種情況下,膠原溶液還應(yīng)保持適當?shù)牧髯冃阅?以使其能以液體形式注入組織的指定部位,再形成不溶性的纖維。這種方法對軟組織的擴增、恢復(fù),特別是對矯正各種皮膚斷面缺陷非常有用,還可用于食管括約肌聲帶的修復(fù)、牙周方面的治療。

4.4創(chuàng)傷、燒傷修復(fù)材料

膠原敷料有多種形式,如膜片、海綿狀及粒狀等,應(yīng)能重新溶解,能吸收創(chuàng)傷滲出液,可與宿主細胞外基質(zhì)相互作用,以促進細胞在新結(jié)締組織上的粘附、移動、生長和沉積;能誘導(dǎo)分化、誘導(dǎo)成纖維細胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創(chuàng)傷修復(fù)。本世紀初在燒傷的治療中使用了天然豬皮和羊膜,但如今更著重于重組形式的膠原,即膠原經(jīng)純化處理變?yōu)榭扇苄阅z原后再制備成多種敷料。

對膠原基創(chuàng)傷、燒傷修復(fù)敷料的設(shè)計,開始是以創(chuàng)傷閉和,減少感染,降低體液損失為主。這類敷料的特點是具有可誘發(fā)正常真皮形成的能力。之后,則對材料進行改性,以降低其免疫原性;或用粘多糖(氨基葡聚糖)替代部分膠原、改變其降解速率;控制敷料的厚度和孔徑,促進組織向內(nèi)優(yōu)化生長。對由Ⅰ型、Ⅲ型膠原和粘多糖組成的,未經(jīng)戊二醛交聯(lián)的創(chuàng)傷敷料,還采用脫乙酰殼多糖改善其機械性能,提高治療效果。也可用Ⅰ、Ⅲ型膠原、彈性膠原或溶解性的彈性膠原肽鏈組成混合物,形成復(fù)雜的結(jié)締組織基質(zhì),再補充抗生素、透明質(zhì)酸、纖維結(jié)合素和肝素增加劑,這些補充材料可促進創(chuàng)傷的愈合。

最近的研究中,還向基質(zhì)中添加成纖維細胞生長因子、血小板衍生物生長因子和表皮生長因子等,這些生長因子都可有效地促進創(chuàng)傷愈合。

4.5膠原止血劑

膠原與血小板作用后,引起后繼的與血液聚集相關(guān)聯(lián)的一系列過程的進行,從而可迅速凝血。作為止血劑使用的膠原可以是粉狀、片狀及海綿狀等多種物理形態(tài)。與膠原類止血材料相競爭的有纖維素、明膠和纖維衍生物,其優(yōu)勢是價格較低。但研究表明,膠原的止血效果明顯。用無花果蛋白酶除去牛腱不溶性膠原中的非膠原性蛋白質(zhì),再將其在酸性介質(zhì)中分散并形成膨脹的纖維體,然后經(jīng)冷凍干燥成為海綿狀,再用0.15%的甲醛處理,便使其具有使用穩(wěn)定性和回彈性的特點。有人還采用牛皮真皮制備了“微晶”型膠原,實驗結(jié)果表明,這種產(chǎn)品比重組膠原在誘導(dǎo)絮凝的產(chǎn)生上更有效,因而止血作用更強。膠原止血劑在治療細胞組織器官如肝或脾的創(chuàng)傷上效果更明顯。由于這些組織一般缺乏結(jié)締組織的支持,在出血、滲出、細胞表面的修復(fù)過程中,十分需要纖維蛋白構(gòu)架維持穩(wěn)定。在這種情況下,使用膠原基止血劑可減少這些組織中血液的流失。

4.6明膠

明膠是膠原經(jīng)溫和而不可逆的斷裂后的主要產(chǎn)生,明膠與膠原具有相似的氨基酸組成。據(jù)《中藥大辭典》記載,明膠具有“滋陰潤燥、止血消腫”之功,可治“虛勞肺痿,咳嗽咯血、吐衄、崩漏、跌撲損傷、癰腫、燙傷”;《本草匯言》載“黃明膠,止諸般失血之藥也?！c阿膠通用,其性平補,宜于虛熱者也。如散癰腫,調(diào)膿止痛,護膜生肌等。……”最近的研究表明:明膠,特別是水解明膠,對多種皮膚病均有治療作用,其用于手足皸裂、皮膚搔癢病、魚鱗病等皮膚病,效果非常顯著。當水解明膠結(jié)合藥物配伍使用時,能夠更要效地治療某些并發(fā)性皮膚病。水解明膠在治療中未發(fā)現(xiàn)任何刺激性與副作用,它能滋潤皮膚、修補和促進傷口愈合。此外,水解明膠在內(nèi)科病學(xué)中也有用武之地,對慢性胃炎、消化胃炎、十二指腸潰瘍、胃潰瘍有更佳的治療效果。

5展望

迄今為止,膠原基醫(yī)用材料的絕大多數(shù)均取材于動物,主要是牛。由于安全性問題和免疫原性及感染性疾病的傳播(如牛海綿狀腦類),人們對使用外源膠原懷有疑慮。共識是來自人體的膠原的生物相容性、生物功能性均優(yōu)于動物膠原。人體膠原最可靠的來源是子宮,但在制備和使用人體膠原組織時,還需要對病毒和其它傳遞性的感染劑進行嚴格測試。隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展,人類可采用重組DNA技術(shù),進行人體膠原的表達與純化。即在建立能獲得大量的、價格低廉的重組膠原產(chǎn)品的可行方法后,大大促進膠原生物材料的充分開發(fā)與利用。雖然許多外源基因已在多種重組的宿主———載體系統(tǒng),如細菌、酵母菌、桿狀病毒、哺乳類及其它體系中得以表達,但形成功能必膠原分子的表達則十分困難。這是因為從膠原的mRNA翻譯成膠原分子后,還需經(jīng)過復(fù)雜修飾加工過程。

該過程需多種酶的參與(詳見“膠原的生物合成過程及其調(diào)節(jié)”),而表達膠原基因的宿主體系常常不產(chǎn)生這些酶,使分泌后膠原分子的后修飾加工過程困難化。建立一個能使膠原蛋白高水平表達的載體系統(tǒng)非常重要,這個載體須帶有合適的啟動子、信號肽、能傳染或轉(zhuǎn)化多種上宿主感受態(tài)細胞、并包括脯氨酰-4-羥化酶基團,此酰能將脯氨酰殘基在膠原重復(fù)結(jié)構(gòu)G-X-Y的Y位羥基化成4-羥脯氨基酸,對膠原的穩(wěn)定十分重要。制備人體膠原分子的另一方法是采用轉(zhuǎn)基因動物,如讓轉(zhuǎn)基因牛的乳汁中含有人的重組膠原。其方法是將牛奶蛋白的專用啟動子與膠原、以及與膠原后修飾相關(guān)的酶基因進行體外重組,再用微量注射法將重組注入受精的卵母細胞或胚胎干細胞中,最后將這些細胞移植入替代母親中。

用以上兩種方法一旦獲得了首代產(chǎn)品,基因重組法在生產(chǎn)一系列的第二代產(chǎn)品時就有了靈活性和很大的潛力。人們可應(yīng)用在膠原的結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)節(jié)上已有的豐富知識,特別是其與生物體系相互作用的相關(guān)知識,創(chuàng)造出特定的分子和生物材料,它們具有增強了的,或降低了穩(wěn)定性、免疫性、止血能力及特異性結(jié)合能力。由此還產(chǎn)生其它的兩個可能性,一是設(shè)計和表達一個完全與天然蛋白質(zhì)類似的產(chǎn)物;二是創(chuàng)造出一個全新的、增強了生物功能的生物材料。對膠原基產(chǎn)品的進一步設(shè)計與制備也可與細胞素或生長因子相結(jié)合。細胞素和生長因子在創(chuàng)傷的愈合中十分重要,因為組織的修復(fù)過程涉及到細胞、基質(zhì)及生長因子間不斷的相互作用。

結(jié)合生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)、血小板衍生因子(PDGF)、成纖維細胞生長因子(FGF)以及表皮生長因子(EGF)等,它們都具有加速傷口愈合的作用。采用生物工程,把這些生長因子的基因拼合成重組體,可使基因工程化的生物材料具有所期望的生物活性。由上可知,為了使未來的膠原基生物材料具有最好的生物相容性,要考慮很多因素。將重組DNA技術(shù)及我們對于膠原和重組修復(fù)的知識結(jié)合起來,將會加強具有特定設(shè)計性質(zhì)的膠原基生物材料的生物活性,使其與組織的環(huán)境相適應(yīng),產(chǎn)生更好的相互作用,促進其應(yīng)用。