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由于膠原在人體組織中廣泛存在且在生理活動(dòng)中發(fā)揮重要作用，因此膠原一直是基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研發(fā)的主要對(duì)象之一，在生物醫(yī)用材料和醫(yī)療器械產(chǎn)品方面尤為活躍。鑒于動(dòng)物源膠原存在免疫原性和病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)，所以膠原及膠原基醫(yī)療器械始終是監(jiān)管的重點(diǎn)對(duì)象。近幾年，利用生物合成技術(shù)制備的人源化膠原蛋白發(fā)展迅速，已成為具有良好發(fā)展前景的醫(yī)療器械新材料。

2019年，國家藥監(jiān)局啟動(dòng)中國藥品監(jiān)管科學(xué)行動(dòng)計(jì)劃，醫(yī)療器械新材料監(jiān)管科學(xué)研究位列首批啟動(dòng)項(xiàng)目之一。動(dòng)物源膠原、人源化膠原均屬于醫(yī)療器械新材料監(jiān)管科學(xué)研究范疇，目前針對(duì)膠原理化性能表征、生物安全性評(píng)價(jià)等各項(xiàng)研究正在有序推進(jìn)、逐步完善。其中，動(dòng)物源膠原的監(jiān)管重點(diǎn)除了常規(guī)的生物安全性評(píng)價(jià)以外，著重完善免疫原性及病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)管；而人源化膠原蛋白在免疫和病毒方面具備優(yōu)勢(shì)，因此其監(jiān)管重點(diǎn)偏向于理化表征和生物安全性等方面。

人源化膠原研究成果突出

鑒于天然膠原在人體組織中的重要作用，科研人員長(zhǎng)期致力于獲取高純度且保留主要天然特征的膠原，仿生構(gòu)建具有天然細(xì)胞外基質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征的膠原基產(chǎn)品，用于基礎(chǔ)科學(xué)研究和臨床實(shí)踐應(yīng)用。概括而言，目前主要有兩種途徑和方法獲取膠原，分別是以人體或動(dòng)物組織為原料的組織提取技術(shù)，以及利用基因重組技術(shù)并通過發(fā)酵等方法制備的生物合成技術(shù)。

動(dòng)物源膠原的研究歷史相對(duì)較長(zhǎng)，提取、純化工藝相對(duì)成熟穩(wěn)定，近幾年更多的是在優(yōu)化工藝以達(dá)到性能穩(wěn)定和風(fēng)險(xiǎn)控制之間的平衡。相對(duì)來說，近幾年生物合成技術(shù)制備的重組膠原蛋白取得明顯進(jìn)步，人源化膠原的篩選與制備是其中較為突出的成果之一。

由于人源化膠原要求與人膠原或其片段完全相同的氨基酸組成與序列，同時(shí)能進(jìn)一步形成二級(jí)結(jié)構(gòu)。因此，如何分析并篩選獲得人膠原中的目標(biāo)功能區(qū)成為了人源化膠原研發(fā)的首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。進(jìn)一步地，對(duì)該目標(biāo)功能區(qū)進(jìn)行蛋白結(jié)構(gòu)解析也是認(rèn)識(shí)并掌握其生物功能的基礎(chǔ)條件。在確定人膠原目標(biāo)功能區(qū)以后，還需要對(duì)基因重組過程進(jìn)行優(yōu)化，提高基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)率，獲得優(yōu)選的基因重組菌種并構(gòu)建適宜的發(fā)酵培養(yǎng)工藝體系。最后，還需要擴(kuò)大發(fā)酵培養(yǎng)工藝，特別是實(shí)現(xiàn)去除內(nèi)毒素、宿主蛋白等針對(duì)目標(biāo)蛋白的純化手段與工藝優(yōu)化，最終獲得高純度、高穩(wěn)定性的人源化膠原蛋白產(chǎn)品。由此可見，人源化膠原的研發(fā)不同于動(dòng)物源膠原的提取、純化，需要多個(gè)不同行業(yè)研究人員共同參與，涉及理論計(jì)算、基因轉(zhuǎn)錄、生物發(fā)酵、蛋白純化以及生物制劑工程化等不同專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，這可能也是限制人源化膠原快速發(fā)展的主要原因之一，也是醫(yī)療器械新材料監(jiān)管科學(xué)研究需要考慮的具體內(nèi)容和難點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外都在積極開展膠原及各種活性仿生多肽的研發(fā)工作，在人源化膠原研究方面，國內(nèi)已取得突破性進(jìn)展，居于世界領(lǐng)先水平。山西錦波生物醫(yī)藥有限公司聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、中科院生物物理所等多家科研機(jī)構(gòu)，潛心十余年，篩選出人III型膠原的核心功能區(qū)并進(jìn)行高分辨率的蛋白結(jié)構(gòu)解析，培育轉(zhuǎn)基因菌種并實(shí)現(xiàn)人源化膠原的產(chǎn)業(yè)化。由于膠原基醫(yī)療器械產(chǎn)品是針對(duì)具體的臨床問題展開基礎(chǔ)理論和臨床應(yīng)用的研究，所以涉及面廣泛且專業(yè)性較強(qiáng)，截至目前，僅有人源化III膠原蛋白植入劑進(jìn)入產(chǎn)品申報(bào)階段（創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審查申請(qǐng)審查結(jié)果公告2020年第18號(hào)）。

與此同時(shí)，利用人源化III型膠原已開展了系列醫(yī)療器械的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，如用于光老化皮膚的改善與修復(fù)，注射到大鼠真皮層后，可以提高光老化皮膚中膠原含量，使皮膚彈性明顯優(yōu)于光老化組與正常老化組，綜合狀況得到顯著提高；用于婦科陰道黏膜損傷與萎縮修復(fù)，使黏膜增厚、絨毛化狀態(tài)與臨床治療組相近，陰道組織中I型和III型膠原含量明顯增加；用于血管支架涂層，結(jié)果顯示涂層支架表面抗凝血性能優(yōu)異，可以顯著抑制內(nèi)膜增生及再狹窄，同時(shí)可有效促進(jìn)支架表面沿血流方向的內(nèi)皮化；用于改性心臟瓣膜材料的促內(nèi)皮性能優(yōu)異，具有穩(wěn)定的長(zhǎng)效抗血栓形成能力。

膠原被廣泛用于醫(yī)療器械研發(fā)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，膠原可被加工成海綿、膜、水凝膠等形式，用于骨、軟骨、韌帶、角膜、心血管、皮膚等幾乎涉及人體各個(gè)組織的相關(guān)研究與開發(fā)中，且在有些方面已取得較為顯著的成果，如我國第一個(gè)組織工程產(chǎn)品——人工皮膚中的主要成分就是牛膠原蛋白。近些年，膠原敷料、膠原海綿、膠原膜、膠原凝膠等膠原基醫(yī)療器械獲得產(chǎn)品注冊(cè)證，用于創(chuàng)面覆蓋、止血和非承力軟硬組織的修復(fù)再生等。另外，以膠原為主要原料制備的注射植入劑在醫(yī)療美容領(lǐng)域也有良好的應(yīng)用效果，如以牛膠原蛋白或豬膠原蛋白為主的面部真皮組織和鼻唇溝充填劑、含聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球體和牛膠原蛋白的皮下植入物系統(tǒng)等。

隨著研究的逐步深入，膠原及膠原蛋白產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展空間。據(jù)美國Grand View Research機(jī)構(gòu)的調(diào)查數(shù)據(jù)，2019年全球膠原蛋白行業(yè)規(guī)模約為153.56億美元，2027年預(yù)計(jì)能達(dá)到226.22億美元；其中，醫(yī)療健康領(lǐng)域的膠原蛋白行業(yè)規(guī)模在2019年為76.04億美元，預(yù)計(jì)2027年能達(dá)到111.17億美元，約占總市場(chǎng)的一半。膠原蛋白在醫(yī)療健康領(lǐng)域中的應(yīng)用是未來市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為5.4%左右。數(shù)據(jù)同時(shí)顯示，我國膠原蛋白市場(chǎng)在全球范圍內(nèi)所占的份額較小，約為6.40%，但年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到6.54%，表現(xiàn)出良好的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)和發(fā)展空間。

人源化膠原醫(yī)療器械大有可為

概括而言，利用生物合成技術(shù)制備的人源化膠原與動(dòng)物源膠原相比具有以下幾方面的明顯優(yōu)勢(shì)：由于人源化膠原的氨基酸組成與序列與人膠原片段完全一致，因此在現(xiàn)有的知識(shí)水平內(nèi)，人源化膠原沒有傳播病毒與免疫原性的風(fēng)險(xiǎn)，具有極好的安全性；人源化膠原是篩選自人膠原特定片段的功能區(qū)，因此具有較為明確的材料-細(xì)胞相互作用和特定的功能性，能夠進(jìn)一步影響細(xì)胞行為及細(xì)胞外基質(zhì)的重構(gòu)；人源化膠原可以基于人膠原的核心功能區(qū)進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)與組合，通過功能區(qū)的組合定制，進(jìn)一步提高材料的功能性和組織修復(fù)重建的能力；人源化膠原可以彌補(bǔ)自然豐度較低但又具有特定功能的某些人膠原難以提取、純化的不足，如V型、XVII型膠原等。

盡管生物合成技術(shù)制備人源化膠原具有多方面優(yōu)勢(shì)，但還需要克服一些難點(diǎn)才可以更好的開發(fā)出基于人源化膠原的醫(yī)療器械產(chǎn)品，如現(xiàn)有的重組技術(shù)還不能獲得含有羥化氨基酸的膠原，獲得的人源化膠原在體內(nèi)的轉(zhuǎn)歸尚不十分明確等。在進(jìn)一步完善人源化膠原的長(zhǎng)期安全性評(píng)價(jià)和功能性驗(yàn)證的情況下，人源化膠原有望取代大部分現(xiàn)有的動(dòng)物源膠原產(chǎn)品，基于人源化膠原的國產(chǎn)醫(yī)療器械產(chǎn)品也有望于國際率先進(jìn)入市場(chǎng)。（作者單位：國家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心，四川大學(xué)生物材料工程研究中心）

相關(guān)鏈接：膠原制備技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)

組織提取技術(shù)：該技術(shù)主要是以膠原豐度較高的人體、動(dòng)物組織為原料，綜合利用物理、化學(xué)、生物等技術(shù)去除天然組織中的毛發(fā)、脂肪、肌肉等成分，提取并進(jìn)一步純化獲取特定類型的膠原。以人體組織為原料的組織提取技術(shù)，主要包括以嬰幼兒包皮為原料提取人I型膠原，采用人胎盤提取人I型、III型、IV型和V型膠原。由于艾滋病、肝炎等疾病傳染性強(qiáng)，甚至可以突破母嬰屏障，所以，以人體組織為原料制備的醫(yī)療器械可能存在傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，鑒于人體組織來源有限，以及倫理方面的考慮，較少有采用其他人體組織進(jìn)行膠原提取并制備膠原基醫(yī)療器械產(chǎn)品的研究。以牛、豬、禽類、鼠和海洋生物等動(dòng)物組織為原料提取膠原具有工藝成熟、價(jià)廉易得等優(yōu)勢(shì)，因此動(dòng)物源膠原也是目前膠原基醫(yī)療器械產(chǎn)品的主流，其中絕大多數(shù)是以牛和豬的皮膚、肌腱等原料提取的膠原。但是，動(dòng)物源膠原也存在一定的技術(shù)瓶頸和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。一方面是動(dòng)物攜帶的一些病毒、細(xì)菌可能會(huì)引起人的重大疾病，如牛海綿狀腦病，即瘋牛?。˙SA）等傳染性海綿狀腦病病毒潛伏周期長(zhǎng)，且暫無有效的活體檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)和治療方法，而膠原獨(dú)特的組成與結(jié)構(gòu)對(duì)于溫度、射線、化學(xué)因素都較為敏感，且因?yàn)榉肿恿枯^大、黏度較高而不便于過濾滅菌，因此，動(dòng)物源膠原病毒和傳染性因子的風(fēng)險(xiǎn)管控成為植入醫(yī)療器械研發(fā)與轉(zhuǎn)化過程中需要嚴(yán)肅面對(duì)且合理解決的重要課題。

另一方面的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)在于免疫原性。由于膠原屬于大分子蛋白質(zhì)，存在非螺旋端肽且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子側(cè)鏈上連接糖蛋白等原因，制備動(dòng)物源膠原需在工藝過程中采取相應(yīng)措施對(duì)具有潛在免疫原性的物質(zhì)（如核酸、蛋白、多糖、脂質(zhì)和其他小分子物質(zhì)等）進(jìn)行去除或?qū)ζ淇乖砦贿M(jìn)行消除，而這些降低免疫原性的手段和方法可能會(huì)影響膠原的組成或結(jié)構(gòu)，進(jìn)而犧牲其作為生物醫(yī)用材料的性能或增加新的風(fēng)險(xiǎn)，因此如何有效降低動(dòng)物源膠原的免疫原性并最大程度地保留其優(yōu)勢(shì)性能，成為組織提取技術(shù)的工藝重點(diǎn)和難點(diǎn)，也成為醫(yī)療器械監(jiān)管的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

生物合成技術(shù)：該技術(shù)的核心內(nèi)容是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將膠原或類膠原的基因轉(zhuǎn)錄到酵母、大腸桿菌等載體，從而表達(dá)相應(yīng)的蛋白并進(jìn)一步純化獲取膠原或類膠原片段。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以人為篩選或設(shè)計(jì)特定的基因片段，進(jìn)而獲得具有特定氨基酸組成和序列的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。目前，國內(nèi)市場(chǎng)有以下三類采用該技術(shù)生產(chǎn)的膠原蛋白產(chǎn)品：一類是制備的蛋白符合天然膠原的部分特征，如Gly-X-Y的重復(fù)結(jié)構(gòu)，但其序列與天然膠原蛋白片段的序列不完全一致，這一類蛋白可以統(tǒng)稱為類膠原蛋白；第二類是氨基酸序列與人天然膠原蛋白或其片段不完全一致，或包含的人天然膠原蛋白片段無特異性功能（通常小于20個(gè)氨基酸），或含有非人天然膠原蛋白的序列，這一類蛋白稱為非人源化膠原蛋白；還有一類是氨基酸序列與人天然膠原蛋白或其片段（通常不小于20個(gè)氨基酸）完全一致，或是上述功能片段的組合，不應(yīng)含有非人天然膠原蛋白的序列片段，這一類蛋白可以稱為人源化膠原蛋白。簡(jiǎn)而言之，前兩類是借鑒天然膠原組成特征而“發(fā)明”的一種蛋白質(zhì)，在自然中是不存在的，而第三類是基于人天然膠原功能片段的“發(fā)現(xiàn)”進(jìn)而人為合成制備的，是人體組織膠原中的一部分。因此，基于現(xiàn)有的科技認(rèn)知水平，理論上以人為“發(fā)明”的類膠原或非人源化膠原為基礎(chǔ)構(gòu)建的植入器械還是可能存在引起各種副作用的風(fēng)險(xiǎn)，而基于“發(fā)現(xiàn)”而制備的人源化膠原則具有更好的安全性。

當(dāng)然，利用生物合成技術(shù)制備的重組膠原蛋白也還存在一些問題和不足。由于轉(zhuǎn)錄的基因都需要通過酵母或細(xì)胞宿主進(jìn)行蛋白表達(dá)，而這些宿主自身也會(huì)表達(dá)各種蛋白，所以通過生物合成技術(shù)獲得的蛋白需要經(jīng)過針對(duì)性且高效率的純化才可以獲取目標(biāo)蛋白，這也成為重組膠原蛋白制備的技術(shù)關(guān)鍵之一。另外，由于目前表達(dá)較為高效的載體通常為酵母或大腸桿菌，而這些載體的蛋白表達(dá)能力與哺乳動(dòng)物還是有所差異，其中較為明顯的一點(diǎn)就是不能直接表達(dá)羥脯氨酸和羥賴氨酸。由于這兩種氨基酸對(duì)于膠原的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要影響，甚至參與膠原與細(xì)胞的相互作用，與人體的某些生理活動(dòng)有一定的關(guān)聯(lián)，因此目前的重組膠原蛋白還有一定的局限性，還不能完全復(fù)制天然膠原并替代其全部功能。