论文部分内容阅读
【摘要】背景：胶原是在人体内分布最广、含量最多的蛋白质。纵观近年来健康相关产品，有关胶原、胶原蛋白产品众多，概念也很多且良莠不齐，使用边界含糊不清。归纳分析按有效成分可概括为两种：水解胶原蛋白和Ⅱ型胶原。其中水解胶原蛋白涉及诸多不同的来源，有牛骨来源，软骨来源，猪皮来源，鱼皮鱼鳞来源；按胶原类型有Ⅰ型胶原，Ⅱ型胶原，Ⅲ型胶原。它们的基本概念是什么，又是通过什么样的作用机制达到促进健康的目的，在使用时如何区分，他们的使用边界在哪里。本文试图对这些问题进行阐明综述。目的：综述水解胶原蛋白和Ⅱ型胶原在健康保健中的用途和作用机制。方法：检索CNKI、PubMed相关文献，对纳入的文献进行分析讨论。结果与结论：全面总结了水解胶原蛋白和Ⅱ型胶原在健康保健中的用途和作用机制，为新技术新产品的开发提供数据。
【关键词】Ⅱ型胶原；水解胶原蛋白；健康产品
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
[中图分类号]R151.4 [文献标识码]A [文章编号]2096-5249（2018）04-001-04
1 概念
1.1 胶原的概念 胶原（ collagen）是一种不透明、白色、无支链的纤维蛋白质，是动物体内分布最广，含量最多的蛋白质。多存在于体表的角质层，哺乳动物机体的某些组织中都有丰富的胶原。胶原的科学定义为： “细胞外基质（ECM） 的结构蛋白質，分子中至少应该有一个结构域具有α链组成的三股螺旋构象”[6]。通俗的概念：不溶于冷水、热水[1]。有三螺旋结构，保留生物活性。
1.2 Ⅱ型胶原的概念：是胶原的一种类型。软骨中较为多见，软骨除去水分之外55%-65%是Ⅱ型胶原。Ⅱ型胶原参与软骨的新陈代谢，与某些疾病的发生发展有关，如类风湿关节炎（RA）骨关节炎（OA） [4.5，6]。
1.3 胶原蛋白的概念：胶原蛋白又称水解胶原蛋白，是胶原经过水解后的产物，即三螺旋结构的大分子胶原通过各种酶的降解，成多分散的直链蛋白，无生物活性，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的胶原蛋白，有人称其为“胶原肽”。水解胶原蛋白（胶原蛋白）溶于冷水和热水[1]。胶原蛋白多肽、寡肽可以被人体吸收利用，是补充外源性胶原蛋白的主要渠道。 1.4 胶原与胶原蛋白：许多人容易混淆“胶原蛋白”与“胶原”的基本概念。简单的说胶原是指有三螺旋结构，还保留生物活性的大分子蛋白，宏观特点是不溶于冷水、热水；胶原蛋白是胶原的水解产物，是分散的肽段，无三螺旋结构，无生物活性。[3]
1.5 胶原的生物活性：所说的生物活性是指具有三螺旋结构的大分子胶原生理结构没有被破坏，在适宜的环境下可以有细胞的黏附和生长，此特性有许多试验和文献证明[8，9，10，11]；胶原蛋白（或称水解胶原蛋白）因为没有三螺旋结构，所以不存在上述的生理活性，但可以发挥其蛋白质的特有功效[5，11]。
2 胶原的分布及分类
动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带、血管及肌腔韧带等是胶原主要存在组织，角膜几乎完全是由胶原组成的。哺乳动物体内蛋白质总量的 25%～30%由胶原构成，相当于体重的 6%[2]。胶原也是结缔组织极其重要的结构蛋白，胶原占结缔组织的约 20%～30%，其余60%-70%是水分。因为高含量的胶原的存在结缔组织具有一定的力学性质，如张力强度、拉力、粘弹力等具有支持、保护的功能[1，3]。确认胶原的标准是：必须是细胞外基质的结构性组分及至少有一个由重复序列组成的三股螺旋结构域[3，6]。
3 保健品、化妆品、食品领域胶原蛋白应用原则及机制
3.1 使用时应遵循一致性原则：在普通保健品、化妆品、食品领域多是小分子的“胶原蛋白”。应用中要坚持材料来源与使用目标相一致的原则。即应用于皮肤的化妆品，原材料应来源于动物皮肤组织；应用于骨骼保健的产品，原材料应来源于动物骨骼组织；应用于软骨保健的产品，原材料应来源于动物软骨组织。其理论依据是：同一类型胶原，不同种系来源，组成和结构基本一致；原材料来源不一样，其分子组成和结构，生物学性质也不尽相同。不同类型胶原无论同种还是异种，其组成和结构不一致[4，5]。目标相一致的原则能达到更好的健康保健效果。
3.2 作用机制：在化妆品、食品领域小分子胶原蛋白 （又称水解胶原蛋白），作用的主要原理是其氨基酸特性。胶原蛋白中的氨基和羧基使胶原分子具有很高的表面活性和良好的生物相容性，对皮肤无刺激作用；胶原蛋白中富含最小的氨基酸甘氨酸（分子量75D），又富含水分，所以它的保湿性、通过性非常突出；胶原蛋白中富含羟脯氨酸，这是绝大多数蛋白质所不具备的； 羟脯氨酸的环状结构以及在皮肤中的数量与皮肤的衰老有高度的正相关性；富含羟脯氨酸的年轻皮肤在电子显微镜下的起伏是像波浪一样，但羟脯氨酸丢失的，胶原断裂的衰老皮肤在电子显微镜下平滑如缎，这揭示了皮肤弹性的生理基础。所以羟脯氨酸的数量和结构是维持皮肤弹性的重要生理支撑[1，2]。
3.3 营养性：补充羟脯氨酸等对人体有益的氨基酸，使皮肤中的胶原活性加强，可以给予含有胶原的皮肤层所必需的养分，保持角质层水分以及纤维结构的完整性，虽然羟脯氨酸不是必须氨基酸，虽然所有外源性物质包括氨基酸要变成机体的组织需要一系列的生理生化过程，但针对性的营养补充也是符合科学的[2]。
3.4 修复性：因为胶原蛋白属于细胞外间质，是人体分布最广、含量最多的蛋白质，胶原蛋白和周围组织的亲和性，相容性好，它具有修复组织的作用是其他蛋白质无法具备的。分析发现，祖国传统养生理论中阿胶，海参，鲍鱼，燕窝，鱼翅这些名贵的补品，胶原蛋白的成分占有很大的比例[7]。
3.5 保湿性：胶原蛋白具有良好的保湿能力，是因为富含羟基等亲水性基团，该羟基等亲水性基团能携带大量的水分子，化妆品中添加的胶原浓度达到 0.01%时，即能供给皮肤所需的全部水分，并增加肌肤的含水量，提别是干燥地区，皮肤中结缔组织保湿是皮肤良好的重要条件。
3.6 配伍性：胶原蛋白具有调节和稳定pH值。这一特性不仅在化妆品中使用，同时良好的电解液早已被电镀行业作为高级电镀制品使用。另一种功能就是稳定泡沫、乳化胶体的作用，在化妆品中可以减轻各种表面活性剂、酸、碱等刺激性物质对皮肤、毛发的损害[7]。
3.7 亲和性：胶原蛋白对皮肤和头发表面的蛋白质分子有较大的亲和力，主要通过物理吸附与皮肤和头发结合。胶原蛋白的亲和性早在皮革的鞣制领域应用多年。胶原蛋白能耐漂洗，其亲和作用随其分子量的增大而增强，分子量小时可以渗入皮肤和头发的表皮，有时还可以透过皮质层，达到营养皮肤的作用[2]。
4 胶原在医学领域的应用及机理
在医学、保健领域中的应用，多是大分子的“胶原”。主要原理是胶原特有的三螺旋结构所产生的生物学特性紧密相关。
4.1 胶原在组织工程化软骨组织构建中的作用： Crane 在1995 年提出了组织工程的概念，软骨组织工程已是当前组织工程研究的热点。利用组织工程学方法，制造了许多种类的临床移植替代物。因为胶原有以下特性成为被广泛使用的生物材料。
4.1.1 低免疫原性：胶原作为医用移植材料最重要的特点在于其低免疫原性（immunogenicity）。胶原虽然是大分子物质，但其结构重復性大。去掉两端具有抗原性的C端和N端，其三螺旋部分种系的免疫原性很小。即不同种系（比如牛、猪、鸡与人）同型胶原的三螺旋部分结构基本相同。所以同其它蛋白质相比，胶原的免疫原性非常低，这是其他蛋白质所不具有的重要特点[6]。
4.1.2 良好的组织相容性： 胶原材料另一优势是它与细胞及组织之间良好的生物学组织相容性。胶原基质材料能成为细胞与组织正常生理功能整体的一部分，参与周围细胞及组织新陈代谢[14]。
4.1.3 生物可降解性： 作为一种特殊的可生物降解的材料，胃蛋白酶等只能切断胶原两端的端肽（C端和N端），胶原的三股螺旋结构还保持完好。从这一点来说，胶原是不可降解的；但胶原酶能定点剪切大分子胶原，不同的胶原酶能准确的剪切不同的位点，被剪切的胶原片段可以成为具有特殊生物学作用的胶原结构，从而进一步发挥生物学作用[6，16]。 4.1.4 物理力学性能： 胶原的三股螺旋结构及交聯结构，使其具有很高的强度，是组织具备力学能力的结构基础。胶原是为结缔组织提供强度的主要蛋白成分，能在广泛范围内满足机体对力学强度的要求。根据胶原的交联特性，对于人工提取的胶原可用交联剂进行交联提高其强度，采用不同的交联条件和使用交联剂可获得不同的强度和韧性。[7]
4.2 胶原在医疗其它领域中的作用
4.2.1“人造皮肤”： 即作为皮肤替代物，所谓“人造皮肤”是指在人体遭受创伤（比如烧伤）导致皮肤损伤或缺失时，能够覆盖和保护创面，诱导、吸附、促进细胞生长，使创面尽快痊愈，有此功能的生物材料均可称之为“人造皮肤”。以胶原为主要成分的各种不同形式的皮肤替代物如胶原凝胶、胶原海绵等。其中胶原海绵对皮肤创伤后的修复作用比较明显，原理是新生组织由海绵生长、分化进而取代病理皮肤，胶原海绵的结构在诱导、吸附、促进细胞生长方面更突出[2，14]。
4.2.2止血海绵：胶原用于止血的原理是，胶原能够诱导血小板附着，同时可以激活血液的凝血因子，对已经损伤的位点起填塞作用，达到止血的目的[2，14]。临床应用表明：胶原海绵与增凝明胶海绵、藻酸钙、藻酸海绵及氧化纤维素等常用的止血剂相比，胶原海绵以其亲水性强，吸水率大，止血时间短，粘附创面能力优异等特征，具有更好的止血性能，并且，胶原海绵作为止血材料具有创面干燥，不易发生感染，愈合迅速，副作用小特点，是一种理想的止血材料。
4.2.3基因传送载体：重组的人骨形态基因蛋白-2（rhBMP-2）与胶原形成的复合物对骨的形成具有激化和促进。在骨形成过程中，胶原作为细胞外间质为骨形成和分化提供了场所，也就是骨形成过程的人工基质，胶原作为基因传送材料有广泛的探索意义[11，12，13]。
4.2.4角膜保护膜： 胶原可以制备成角膜胶原保护膜，以表面覆盖接触镜的形式用作角膜敷料。角膜移植后的表皮愈合过程中，通过角膜胶原保护膜在眼睛表层分解形成一薄层胶原溶液，润滑眼睛，使眼睑对角膜的磨擦最小化，同时增加药物与角膜的接触时间，促进角膜上皮细胞的愈合[12，13，14]。
4.2.5 药物输送系统：微囊技术与药物缓释技术在药物学中具有很重要的意义，胶原可以作为微囊技术的载体。其原理是，药物大多通过氢键结合、共价键结合或被包裹的形式，被胶原膜承载，其被释放的条件取决于胶原保护层的构造，如膜的过滤性、腐蚀、破裂等[2，16]。
5 Ⅱ型胶原（NC-2）的应用及作用机理[10-12]
5.1 Ⅱ型胶原因为其特有的来源、结构和生理特性越来越受到药品、生物材料、食品、保健品领域的关注，特别是与关节疾病相关的营养、保健、治疗方面。软骨的来源注定是独一无二的，它的生理作用也是不可替代的。
5.2 结构决定性质，Ⅱ型胶原在结构上有其独特性：三条相同的α链[α1（Ⅱ）]3 ，以三螺旋结构的方式构成，胶原纤维按一定空间结构相互缠绕形成一定形状的刚性骨架；透明质酸（HA）如同锁链将游离的蛋白多糖（PG）单体固定于胶原纤维骨架之上；胶原纤维，蛋白多糖，透明质酸三者有机的结合在一起；这种结合奠定了软骨组织的特有的结构与特殊的功能。由于蛋白多糖浓度很高，在胶原骨架之间形成了带有负电荷，水含性极强的粘稠胶体，加之胶原纤维的力学骨架，使软骨坚硬而富于弹性，具有了巨大的缓冲容量。
5.3 多数关节疾病与软骨有直接和间接的关系。骨关节炎（OA）和类风湿性关节炎（RA）病患率很高。 骨关节炎（OA） 是指关节与关节软骨的完整性受损，软骨下骨板及关节边缘骨病变有关的一组异质性疾病。即关节软骨的退变和继发性骨质增生的一种慢性关节病，是长期病因刺激导致的疾病，病因主要是损伤，感染，免疫三个方面。其炎症反应与类风湿性关节炎的机理相近，即在原有损伤部位Ⅱ型胶原明显减少，出现自身免疫倾向，T细胞攻击关节组织所致。所以部分骨关节炎可以使用Ⅱ型胶原制剂。
5.4 类风湿性关节炎（RA） 是一种常见的以关节组织慢性炎症病变为主要表现的全身性疾病。类风湿性关节炎的发生很可能是由于机体内的T细胞因子引起关节组织内部对特异性隐蔽抗原进行的自身免疫反应，在此过程中，软骨基质被降解，软骨及骨下组织遭到破坏，产生多关节滑膜炎症和一些其它并发症[8-9] 。有报道从分子和基因水平阐述RA发病机制，认为其主要的免疫原就是Ⅱ型胶原，Ⅱ型胶原诱导类风湿性关节炎（CIA， Collagen Induced Arthritis）的关键是 T 细胞对Ⅱ型胶原分子中256-270 肽段的识别作用[10-12]。因此，口服一定剂量Ⅱ型胶原能使机体产生口服免疫耐受（OT），从而控制类风湿性关节炎的症状[13]。作为一种外周免疫耐受形式的口服免疫耐受是指口服某种可溶性蛋白质抗原，导致局部肠相关淋巴组织 （GALT）特异免疫，从而抑制全身免疫应答。口服Ⅱ型胶原具体吸收利用路径可能是Ⅱ型胶原口服进入胃中，在胃液的作用下胶囊或片剂崩解，释放有效成分，我们知道Ⅱ型胶原容于弱酸却不会被胃酸降解；在胃肠动力的作用下，Ⅱ型胶原进入小肠，小肠内有胶原酶，在胶原酶作用下，于甘-异亮位点定点剪切Ⅱ型胶原的三螺旋结构，形成多个具有抗原性的多肽[6]； 该多肽以其特有的抗原性首先启动肠粘膜的B细胞，T细胞。建立免疫应答机制；然后，经肠粘膜的payer斑拱形区M细胞吸收进入循环系统；进入循环系统后再次激活免疫系统，产生免疫因子；免疫因子对病患部位逐步进行免疫耐受刺激，使病患部位停止对软骨组织的侵蚀破坏，进而修复被损伤的软骨[10，11，12，15]。
6 牛骨来源胶原蛋白的应用及作用机理
6.1 骨组织主要含有Ι型胶原，纤维粗大，因骨组织中含有大量的钙，磷等无机物，和多糖等有机物结构复杂质地坚硬，难以提取具有三螺旋结构的Ι型胶原，骨组织来源的胶原类产品，市场上多是以水解胶原蛋白的形式出现。牛骨来源的水解胶原蛋白以其品质和作用广受市场推崇。 6.2 骨质疏松症是在遗传、环境、饮食、运动等的共同作用下，影响高峰骨量以及骨量丢失并最终发展至骨质疏松。这些因素包括药物、饮食、种族、性别以及生活方式。骨质疏松症可分为三大类：一为原发性骨质疏松症，它是随着年龄的增长发生的一种生理性退行性病变，此类分为两种情况Ι为绝经后骨质疏松，见于绝经不久的妇女；Π为老年性骨质疏松，多在65岁后发生。第二类为继发性骨质疏松症，它是由疾病或药物因素所诱发的骨质疏松症。第三类为特发性骨质疏松症。针对骨质疏松的危害要特别强调落实预防。坚持长期预防性口服氨糖片和补充胶原是行之有效的预防策略。即除了合理膳食外，经常服用骨组织来源的胶原蛋白，因为组织来源相同，成分和结构也相同，所以补充的有效性会大大提高，其生物利用度会更高，保健效果更好[1，7]。
7 展望
随着分子生物学，循证医学的不断深入发展，我们既要重视现代科学的证据，也要提炼传统医学的经验。用现代科学的实验去证实传统医学的经验；用传统医学的经验启迪现代科学的思维。相信会有更多有关胶原和胶原蛋白的新技术新产品问世，其机理得到进一步的阐释。
参考文献：
[1] 蒋挺大. 胶原与胶原蛋白. 北京， 化学工业出版社， 2006， 145.
[2] 陈静涛， 徐政， 顾其胜. 胶原蛋白研发的最新进展.上海生物医学工程，2004，25（2）：52-56.
[3] 李国英.胶原的类型及其结构特征.中国皮革，2002，31（17）：20-21.
[4] Aligner T， St vet J. Collagen-major component of the physiological cartilage matrix， major target of cartilage degeneration， major tool in cartilage repair. Advanced Drug Delivery Reviews. 2003；55：1569-1593.
[5] Hsiu O H， Lun H L， Ming T S. Characterization of collagen isolation and application of collagen gel as a drug carrier. Journal of Controlled Release. 199744；103-112.
[6] 李玉瑞.细胞外间质生物化学及研究方法.北京，人民卫生出版，1988，31.
[7] 罗克. 家禽解剖学与组织学. 福州： 福建科学技术出版社，1983； 33.
[8] Holm L， Beckerman R， Wellner E， et al. Side-chain and backbone amide bond requirements for glycopeptide stimulation of T-cells obtained in a mouse model for rheumatoid arthritis.Bioorganic& Medicinal Chemistry. 2006；5921-5932.
[9] Wang C， Dai Y， Yang J， et al. Treatment with total alkaloids from Radix Linderae reduces inflammation and joint destruction in type II collagen-induced model for rheumatoid arthritis.Journal of Ethnopharmacology.2007；322-328.
[10] Cai X， Zhou H， Wong Y F， et al. Suppression of the onset and progression of collagen – induced arthritis in rats by QFGJS， a preparation from an anti-arthritic Chinese herbal formula[J].Journal of Ethnopharmacology.2007；39-48.
[11] Lee Y C， Kimb S H， Rohc S S， et al. Suppressive effects of Chelidonium majus methanol extract in knee joint， regional lymph nodes， and spleen on collagen-induced arthritis in mice.Journal of Ethnopharmacology.2007；（12）： 2312-2320.
[12] Zhu P， Li X Y， Wang H K， et al. Oral administration of type II collagen peptide 250-270 suppresses specific cellular and humoral immune response in collagen-induced arthritis. Clinical Immunology.2007；122： 75-84.
[13] John S， Davies N， Worthington J. Genes for rheumatoid arthritis offer new insights into disease mechanisms. Drug Discovery Today： Disease Mechanisms.2005； 2：337-345.
[14] 顧其胜. 胶原蛋白与临床医学. 第二军医大学出版社，2003，109-118.
[15] 冯志民， 徐蘅， 动物组织钟羟脯氨酸测定方法的建立及初步应用. 南京铁道医学院学报， 1999，18（3）：168-170.
[16] （日）胶原蛋白实验方法.刘平 译 上海中医学院出版社1988.20-38.
作者简介：李洁，男，主要从事实验室管理，医药生物技术工作，E-mail：[email protected]
通讯作者：王玉梅，女，主要从事医学公共卫生工作，E-mail：[email protected]
【关键词】Ⅱ型胶原；水解胶原蛋白；健康产品
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
[中图分类号]R151.4 [文献标识码]A [文章编号]2096-5249（2018）04-001-04
1 概念
1.1 胶原的概念 胶原（ collagen）是一种不透明、白色、无支链的纤维蛋白质，是动物体内分布最广，含量最多的蛋白质。多存在于体表的角质层，哺乳动物机体的某些组织中都有丰富的胶原。胶原的科学定义为： “细胞外基质（ECM） 的结构蛋白質，分子中至少应该有一个结构域具有α链组成的三股螺旋构象”[6]。通俗的概念：不溶于冷水、热水[1]。有三螺旋结构，保留生物活性。
1.2 Ⅱ型胶原的概念：是胶原的一种类型。软骨中较为多见，软骨除去水分之外55%-65%是Ⅱ型胶原。Ⅱ型胶原参与软骨的新陈代谢，与某些疾病的发生发展有关，如类风湿关节炎（RA）骨关节炎（OA） [4.5，6]。
1.3 胶原蛋白的概念：胶原蛋白又称水解胶原蛋白，是胶原经过水解后的产物，即三螺旋结构的大分子胶原通过各种酶的降解，成多分散的直链蛋白，无生物活性，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的胶原蛋白，有人称其为“胶原肽”。水解胶原蛋白（胶原蛋白）溶于冷水和热水[1]。胶原蛋白多肽、寡肽可以被人体吸收利用，是补充外源性胶原蛋白的主要渠道。 1.4 胶原与胶原蛋白：许多人容易混淆“胶原蛋白”与“胶原”的基本概念。简单的说胶原是指有三螺旋结构，还保留生物活性的大分子蛋白，宏观特点是不溶于冷水、热水；胶原蛋白是胶原的水解产物，是分散的肽段，无三螺旋结构，无生物活性。[3]
1.5 胶原的生物活性：所说的生物活性是指具有三螺旋结构的大分子胶原生理结构没有被破坏，在适宜的环境下可以有细胞的黏附和生长，此特性有许多试验和文献证明[8，9，10，11]；胶原蛋白（或称水解胶原蛋白）因为没有三螺旋结构，所以不存在上述的生理活性，但可以发挥其蛋白质的特有功效[5，11]。
2 胶原的分布及分类
动物的皮、骨、软骨、牙齿、肌腱、韧带、血管及肌腔韧带等是胶原主要存在组织，角膜几乎完全是由胶原组成的。哺乳动物体内蛋白质总量的 25%～30%由胶原构成，相当于体重的 6%[2]。胶原也是结缔组织极其重要的结构蛋白，胶原占结缔组织的约 20%～30%，其余60%-70%是水分。因为高含量的胶原的存在结缔组织具有一定的力学性质，如张力强度、拉力、粘弹力等具有支持、保护的功能[1，3]。确认胶原的标准是：必须是细胞外基质的结构性组分及至少有一个由重复序列组成的三股螺旋结构域[3，6]。
3 保健品、化妆品、食品领域胶原蛋白应用原则及机制
3.1 使用时应遵循一致性原则：在普通保健品、化妆品、食品领域多是小分子的“胶原蛋白”。应用中要坚持材料来源与使用目标相一致的原则。即应用于皮肤的化妆品，原材料应来源于动物皮肤组织；应用于骨骼保健的产品，原材料应来源于动物骨骼组织；应用于软骨保健的产品，原材料应来源于动物软骨组织。其理论依据是：同一类型胶原，不同种系来源，组成和结构基本一致；原材料来源不一样，其分子组成和结构，生物学性质也不尽相同。不同类型胶原无论同种还是异种，其组成和结构不一致[4，5]。目标相一致的原则能达到更好的健康保健效果。
3.2 作用机制：在化妆品、食品领域小分子胶原蛋白 （又称水解胶原蛋白），作用的主要原理是其氨基酸特性。胶原蛋白中的氨基和羧基使胶原分子具有很高的表面活性和良好的生物相容性，对皮肤无刺激作用；胶原蛋白中富含最小的氨基酸甘氨酸（分子量75D），又富含水分，所以它的保湿性、通过性非常突出；胶原蛋白中富含羟脯氨酸，这是绝大多数蛋白质所不具备的； 羟脯氨酸的环状结构以及在皮肤中的数量与皮肤的衰老有高度的正相关性；富含羟脯氨酸的年轻皮肤在电子显微镜下的起伏是像波浪一样，但羟脯氨酸丢失的，胶原断裂的衰老皮肤在电子显微镜下平滑如缎，这揭示了皮肤弹性的生理基础。所以羟脯氨酸的数量和结构是维持皮肤弹性的重要生理支撑[1，2]。
3.3 营养性：补充羟脯氨酸等对人体有益的氨基酸，使皮肤中的胶原活性加强，可以给予含有胶原的皮肤层所必需的养分，保持角质层水分以及纤维结构的完整性，虽然羟脯氨酸不是必须氨基酸，虽然所有外源性物质包括氨基酸要变成机体的组织需要一系列的生理生化过程，但针对性的营养补充也是符合科学的[2]。
3.4 修复性：因为胶原蛋白属于细胞外间质，是人体分布最广、含量最多的蛋白质，胶原蛋白和周围组织的亲和性，相容性好，它具有修复组织的作用是其他蛋白质无法具备的。分析发现，祖国传统养生理论中阿胶，海参，鲍鱼，燕窝，鱼翅这些名贵的补品，胶原蛋白的成分占有很大的比例[7]。
3.5 保湿性：胶原蛋白具有良好的保湿能力，是因为富含羟基等亲水性基团，该羟基等亲水性基团能携带大量的水分子，化妆品中添加的胶原浓度达到 0.01%时，即能供给皮肤所需的全部水分，并增加肌肤的含水量，提别是干燥地区，皮肤中结缔组织保湿是皮肤良好的重要条件。
3.6 配伍性：胶原蛋白具有调节和稳定pH值。这一特性不仅在化妆品中使用，同时良好的电解液早已被电镀行业作为高级电镀制品使用。另一种功能就是稳定泡沫、乳化胶体的作用，在化妆品中可以减轻各种表面活性剂、酸、碱等刺激性物质对皮肤、毛发的损害[7]。
3.7 亲和性：胶原蛋白对皮肤和头发表面的蛋白质分子有较大的亲和力，主要通过物理吸附与皮肤和头发结合。胶原蛋白的亲和性早在皮革的鞣制领域应用多年。胶原蛋白能耐漂洗，其亲和作用随其分子量的增大而增强，分子量小时可以渗入皮肤和头发的表皮，有时还可以透过皮质层，达到营养皮肤的作用[2]。
4 胶原在医学领域的应用及机理
在医学、保健领域中的应用，多是大分子的“胶原”。主要原理是胶原特有的三螺旋结构所产生的生物学特性紧密相关。
4.1 胶原在组织工程化软骨组织构建中的作用： Crane 在1995 年提出了组织工程的概念，软骨组织工程已是当前组织工程研究的热点。利用组织工程学方法，制造了许多种类的临床移植替代物。因为胶原有以下特性成为被广泛使用的生物材料。
4.1.1 低免疫原性：胶原作为医用移植材料最重要的特点在于其低免疫原性（immunogenicity）。胶原虽然是大分子物质，但其结构重復性大。去掉两端具有抗原性的C端和N端，其三螺旋部分种系的免疫原性很小。即不同种系（比如牛、猪、鸡与人）同型胶原的三螺旋部分结构基本相同。所以同其它蛋白质相比，胶原的免疫原性非常低，这是其他蛋白质所不具有的重要特点[6]。
4.1.2 良好的组织相容性： 胶原材料另一优势是它与细胞及组织之间良好的生物学组织相容性。胶原基质材料能成为细胞与组织正常生理功能整体的一部分，参与周围细胞及组织新陈代谢[14]。
4.1.3 生物可降解性： 作为一种特殊的可生物降解的材料，胃蛋白酶等只能切断胶原两端的端肽（C端和N端），胶原的三股螺旋结构还保持完好。从这一点来说，胶原是不可降解的；但胶原酶能定点剪切大分子胶原，不同的胶原酶能准确的剪切不同的位点，被剪切的胶原片段可以成为具有特殊生物学作用的胶原结构，从而进一步发挥生物学作用[6，16]。 4.1.4 物理力学性能： 胶原的三股螺旋结构及交聯结构，使其具有很高的强度，是组织具备力学能力的结构基础。胶原是为结缔组织提供强度的主要蛋白成分，能在广泛范围内满足机体对力学强度的要求。根据胶原的交联特性，对于人工提取的胶原可用交联剂进行交联提高其强度，采用不同的交联条件和使用交联剂可获得不同的强度和韧性。[7]
4.2 胶原在医疗其它领域中的作用
4.2.1“人造皮肤”： 即作为皮肤替代物，所谓“人造皮肤”是指在人体遭受创伤（比如烧伤）导致皮肤损伤或缺失时，能够覆盖和保护创面，诱导、吸附、促进细胞生长，使创面尽快痊愈，有此功能的生物材料均可称之为“人造皮肤”。以胶原为主要成分的各种不同形式的皮肤替代物如胶原凝胶、胶原海绵等。其中胶原海绵对皮肤创伤后的修复作用比较明显，原理是新生组织由海绵生长、分化进而取代病理皮肤，胶原海绵的结构在诱导、吸附、促进细胞生长方面更突出[2，14]。
4.2.2止血海绵：胶原用于止血的原理是，胶原能够诱导血小板附着，同时可以激活血液的凝血因子，对已经损伤的位点起填塞作用，达到止血的目的[2，14]。临床应用表明：胶原海绵与增凝明胶海绵、藻酸钙、藻酸海绵及氧化纤维素等常用的止血剂相比，胶原海绵以其亲水性强，吸水率大，止血时间短，粘附创面能力优异等特征，具有更好的止血性能，并且，胶原海绵作为止血材料具有创面干燥，不易发生感染，愈合迅速，副作用小特点，是一种理想的止血材料。
4.2.3基因传送载体：重组的人骨形态基因蛋白-2（rhBMP-2）与胶原形成的复合物对骨的形成具有激化和促进。在骨形成过程中，胶原作为细胞外间质为骨形成和分化提供了场所，也就是骨形成过程的人工基质，胶原作为基因传送材料有广泛的探索意义[11，12，13]。
4.2.4角膜保护膜： 胶原可以制备成角膜胶原保护膜，以表面覆盖接触镜的形式用作角膜敷料。角膜移植后的表皮愈合过程中，通过角膜胶原保护膜在眼睛表层分解形成一薄层胶原溶液，润滑眼睛，使眼睑对角膜的磨擦最小化，同时增加药物与角膜的接触时间，促进角膜上皮细胞的愈合[12，13，14]。
4.2.5 药物输送系统：微囊技术与药物缓释技术在药物学中具有很重要的意义，胶原可以作为微囊技术的载体。其原理是，药物大多通过氢键结合、共价键结合或被包裹的形式，被胶原膜承载，其被释放的条件取决于胶原保护层的构造，如膜的过滤性、腐蚀、破裂等[2，16]。
5 Ⅱ型胶原（NC-2）的应用及作用机理[10-12]
5.1 Ⅱ型胶原因为其特有的来源、结构和生理特性越来越受到药品、生物材料、食品、保健品领域的关注，特别是与关节疾病相关的营养、保健、治疗方面。软骨的来源注定是独一无二的，它的生理作用也是不可替代的。
5.2 结构决定性质，Ⅱ型胶原在结构上有其独特性：三条相同的α链[α1（Ⅱ）]3 ，以三螺旋结构的方式构成，胶原纤维按一定空间结构相互缠绕形成一定形状的刚性骨架；透明质酸（HA）如同锁链将游离的蛋白多糖（PG）单体固定于胶原纤维骨架之上；胶原纤维，蛋白多糖，透明质酸三者有机的结合在一起；这种结合奠定了软骨组织的特有的结构与特殊的功能。由于蛋白多糖浓度很高，在胶原骨架之间形成了带有负电荷，水含性极强的粘稠胶体，加之胶原纤维的力学骨架，使软骨坚硬而富于弹性，具有了巨大的缓冲容量。
5.3 多数关节疾病与软骨有直接和间接的关系。骨关节炎（OA）和类风湿性关节炎（RA）病患率很高。 骨关节炎（OA） 是指关节与关节软骨的完整性受损，软骨下骨板及关节边缘骨病变有关的一组异质性疾病。即关节软骨的退变和继发性骨质增生的一种慢性关节病，是长期病因刺激导致的疾病，病因主要是损伤，感染，免疫三个方面。其炎症反应与类风湿性关节炎的机理相近，即在原有损伤部位Ⅱ型胶原明显减少，出现自身免疫倾向，T细胞攻击关节组织所致。所以部分骨关节炎可以使用Ⅱ型胶原制剂。
5.4 类风湿性关节炎（RA） 是一种常见的以关节组织慢性炎症病变为主要表现的全身性疾病。类风湿性关节炎的发生很可能是由于机体内的T细胞因子引起关节组织内部对特异性隐蔽抗原进行的自身免疫反应，在此过程中，软骨基质被降解，软骨及骨下组织遭到破坏，产生多关节滑膜炎症和一些其它并发症[8-9] 。有报道从分子和基因水平阐述RA发病机制，认为其主要的免疫原就是Ⅱ型胶原，Ⅱ型胶原诱导类风湿性关节炎（CIA， Collagen Induced Arthritis）的关键是 T 细胞对Ⅱ型胶原分子中256-270 肽段的识别作用[10-12]。因此，口服一定剂量Ⅱ型胶原能使机体产生口服免疫耐受（OT），从而控制类风湿性关节炎的症状[13]。作为一种外周免疫耐受形式的口服免疫耐受是指口服某种可溶性蛋白质抗原，导致局部肠相关淋巴组织 （GALT）特异免疫，从而抑制全身免疫应答。口服Ⅱ型胶原具体吸收利用路径可能是Ⅱ型胶原口服进入胃中，在胃液的作用下胶囊或片剂崩解，释放有效成分，我们知道Ⅱ型胶原容于弱酸却不会被胃酸降解；在胃肠动力的作用下，Ⅱ型胶原进入小肠，小肠内有胶原酶，在胶原酶作用下，于甘-异亮位点定点剪切Ⅱ型胶原的三螺旋结构，形成多个具有抗原性的多肽[6]； 该多肽以其特有的抗原性首先启动肠粘膜的B细胞，T细胞。建立免疫应答机制；然后，经肠粘膜的payer斑拱形区M细胞吸收进入循环系统；进入循环系统后再次激活免疫系统，产生免疫因子；免疫因子对病患部位逐步进行免疫耐受刺激，使病患部位停止对软骨组织的侵蚀破坏，进而修复被损伤的软骨[10，11，12，15]。
6 牛骨来源胶原蛋白的应用及作用机理
6.1 骨组织主要含有Ι型胶原，纤维粗大，因骨组织中含有大量的钙，磷等无机物，和多糖等有机物结构复杂质地坚硬，难以提取具有三螺旋结构的Ι型胶原，骨组织来源的胶原类产品，市场上多是以水解胶原蛋白的形式出现。牛骨来源的水解胶原蛋白以其品质和作用广受市场推崇。 6.2 骨质疏松症是在遗传、环境、饮食、运动等的共同作用下，影响高峰骨量以及骨量丢失并最终发展至骨质疏松。这些因素包括药物、饮食、种族、性别以及生活方式。骨质疏松症可分为三大类：一为原发性骨质疏松症，它是随着年龄的增长发生的一种生理性退行性病变，此类分为两种情况Ι为绝经后骨质疏松，见于绝经不久的妇女；Π为老年性骨质疏松，多在65岁后发生。第二类为继发性骨质疏松症，它是由疾病或药物因素所诱发的骨质疏松症。第三类为特发性骨质疏松症。针对骨质疏松的危害要特别强调落实预防。坚持长期预防性口服氨糖片和补充胶原是行之有效的预防策略。即除了合理膳食外，经常服用骨组织来源的胶原蛋白，因为组织来源相同，成分和结构也相同，所以补充的有效性会大大提高，其生物利用度会更高，保健效果更好[1，7]。
7 展望
随着分子生物学，循证医学的不断深入发展，我们既要重视现代科学的证据，也要提炼传统医学的经验。用现代科学的实验去证实传统医学的经验；用传统医学的经验启迪现代科学的思维。相信会有更多有关胶原和胶原蛋白的新技术新产品问世，其机理得到进一步的阐释。
参考文献：
[1] 蒋挺大. 胶原与胶原蛋白. 北京， 化学工业出版社， 2006， 145.
[2] 陈静涛， 徐政， 顾其胜. 胶原蛋白研发的最新进展.上海生物医学工程，2004，25（2）：52-56.
[3] 李国英.胶原的类型及其结构特征.中国皮革，2002，31（17）：20-21.
[4] Aligner T， St vet J. Collagen-major component of the physiological cartilage matrix， major target of cartilage degeneration， major tool in cartilage repair. Advanced Drug Delivery Reviews. 2003；55：1569-1593.
[5] Hsiu O H， Lun H L， Ming T S. Characterization of collagen isolation and application of collagen gel as a drug carrier. Journal of Controlled Release. 199744；103-112.
[6] 李玉瑞.细胞外间质生物化学及研究方法.北京，人民卫生出版，1988，31.
[7] 罗克. 家禽解剖学与组织学. 福州： 福建科学技术出版社，1983； 33.
[8] Holm L， Beckerman R， Wellner E， et al. Side-chain and backbone amide bond requirements for glycopeptide stimulation of T-cells obtained in a mouse model for rheumatoid arthritis.Bioorganic& Medicinal Chemistry. 2006；5921-5932.
[9] Wang C， Dai Y， Yang J， et al. Treatment with total alkaloids from Radix Linderae reduces inflammation and joint destruction in type II collagen-induced model for rheumatoid arthritis.Journal of Ethnopharmacology.2007；322-328.
[10] Cai X， Zhou H， Wong Y F， et al. Suppression of the onset and progression of collagen – induced arthritis in rats by QFGJS， a preparation from an anti-arthritic Chinese herbal formula[J].Journal of Ethnopharmacology.2007；39-48.
[11] Lee Y C， Kimb S H， Rohc S S， et al. Suppressive effects of Chelidonium majus methanol extract in knee joint， regional lymph nodes， and spleen on collagen-induced arthritis in mice.Journal of Ethnopharmacology.2007；（12）： 2312-2320.
[12] Zhu P， Li X Y， Wang H K， et al. Oral administration of type II collagen peptide 250-270 suppresses specific cellular and humoral immune response in collagen-induced arthritis. Clinical Immunology.2007；122： 75-84.
[13] John S， Davies N， Worthington J. Genes for rheumatoid arthritis offer new insights into disease mechanisms. Drug Discovery Today： Disease Mechanisms.2005； 2：337-345.
[14] 顧其胜. 胶原蛋白与临床医学. 第二军医大学出版社，2003，109-118.
[15] 冯志民， 徐蘅， 动物组织钟羟脯氨酸测定方法的建立及初步应用. 南京铁道医学院学报， 1999，18（3）：168-170.
[16] （日）胶原蛋白实验方法.刘平 译 上海中医学院出版社1988.20-38.
作者简介：李洁，男，主要从事实验室管理，医药生物技术工作，E-mail：[email protected]
通讯作者：王玉梅，女，主要从事医学公共卫生工作，E-mail：[email protected]