胶原在生物医学领域的应用

胶原在生物医学领域的应用

胶原在生物医学领域的应用

刘白灵(四川大学高分子研究所)

[摘要]

胶原是动物体中最丰富的蛋白资源,由于胶原具有很低的免疫原性,与多种宿主细胞及组织有着良好的相互作用,因而可广泛地用于制备胶原基医用材料及医用装置。

本文介绍了胶原作为医用材料的生物学优势、胶原基生物材料在医疗领域的使用,以及胶原基生物材料的制备和注意事项。本文还对胶原基医用材料和传统用同类材料的生物医学性质进行了对比,简述了采用生物技术改善胶原基医用材料的途径和前景。

[正文]

胶原是动物所有结缔组织—皮、腱、韧带、软骨等的主要蛋白成分,是最为丰富的蛋白质之一,占哺乳动物所有蛋白质的30%。自古以来,胶原一直主要作为制革工业的基本原料。随着时代和科学技术的发展,人们在探讨胶原的化学、物理、生物学性质的过程中,逐渐认识和开辟着胶原广泛应用的新领域。随着21 世纪我国产业结构的调整,制革工业的发展方向是生产的规模化、集约化和产品和高性能化,充分利用我国动物皮生物资源,开发具有高附加值的胶原新产品势在必行。

由于胶原的特殊性质和其性质上的优势,胶原在生物医学领域有着十分广阔的应用前景。

胶原的这种优势来源于它独特的结构、生化及生物学性质。

1. 胶原作为生物材料的优势

低免疫原性

胶原作为医用移植材料最重要的特点在于其免疫惰性。与其它具有免疫性(immunogenicity) 的蛋白质相比,胶原的免疫原性非常低。特别是在胶原以胶原组织(tissue -based) 和纯化胶原形式使用时,这一优势更为明显。80年代对各种胶原产品的免疫原性进行测定时发现,所产生的免疫应答是由存在于胶原产品中的极少量的非胶原蛋白引起的。产生免疫性的另一原因是材料中存在着变性胶原,胶原的单根肽链比天然的未遭破坏的胶原螺旋分子表现出较高的免疫原性。这可能是因为胶原受到破坏而变性时,将原来隐匿在内部的抗原决定簇暴露出来,从而引起了免疫应答。

90 年代以前,人们一直认为胶原没有免疫原性。但后来的研究发现,胶原可表现出一定的免疫原性。例如,在制备哺乳动物胶原的单克隆抗体时,发现Ⅰ型胶原的免疫原性比Ⅲ型、Ⅴ型、Ⅵ型胶原低得多。将组织胶原的端肽(telopeptides) ,螺旋微区(domain) ,以及其它微区的免疫原性进行对比,发现端肽的免疫原性最强。因而,在制备可溶性胶原医用产品时,应除去胶原的端肽。但对以组织基使用的胶原材料,则应保留端肽,目的是保存交联位点,赋予组织材料所需要的完整结构。研究还发现用戊二醛交联,可部分降低胶原材料的免疫原性。

细胞基质间的相互作用

胶原基材料另一优势,在于它与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。

胶原基材料无论是在被吸收前作为形成新组织的骨架,还是被吸收同化进入宿主,成为宿主组织的一部分,都与细胞周围的基质有着良好的相互作用,表现出相互影响的协调性,并成为细胞与组织正常生理功能整体的一部分。

胶原可促进不同类型细胞生长,如Ⅰ型胶原可用于培养各种不同类型的细胞。细胞与胶原之间的相互作用机理取决于细胞的类型,相互作用可能直接通过特异性的受体,但更常见的是由特殊的粘结蛋白,如纤维结合素等中介的相互作用。

胶原基材料的另一特点,是除了可增加细胞的粘结外,还能改善细胞的生长、分化与移动。胶原在与其它胞外基质分子的缀合中,具有可支撑多种不同类型细胞的生长与功能的特点。这一能力促进了胶原基生物材料在多个领域的应用。

与血小板的相互作用

胶原对血小板有凝聚作用,可形成血栓阻止流血,因而可用于制备凝血材料。血管壁的内皮层发生损伤流血时,靠近受伤部位的血小板便与内皮下的结缔组织直接接触,进而使血小板活化、释放出颗粒成分,进行凝血。正因为如此,在使用胶原或胶原复合物制备心血管装置时,要特别注意防止或抑制、隐匿胶原与血小板之间的相互作用。

目前采用的方法之一是用戊二醛对胶原医用装置材料进行交联,这种方法可减少胶原与血小板间的相互作用。

现更多采用的方法是用聚合物交联以覆盖胶原表面,或用如肝素的化合物涂敷胶原表面,阻止其与血小板的作用。

纤维的再形成性

经纯化的可溶性胶原在胶原基生物材料中占有重要地位,其主要性质之一是可在体外再次形成与天然胶原纤维相似的有序纤维状结构。在制备可溶性胶原时,虽然已通过酶的作用除去了胶原分子的端肽,但可溶性胶原在体外的再形成过程仍然存在。

使用可溶性胶原的另一优势在于其免疫原性被大大减弱,又能形成纤维,获得了与原有结构相似的堆砌,从而有利于细胞基质间相互作用的分子过程。利用可溶性胶原的纤维再生性质,还可将其制备成适合于移植用的膏状注射物或海绵等结构。

机械性能

以组织基胶原使用的胶原装置,固有强度是其重要的优势。生物体中,胶原是为结缔组织提供强度的主要蛋白成分,因而可能在广泛的范围内满足肌体对机械强度的要求。胶原纤维具有很高的机械强度的重要原因,在于胶原中的天然交联,在制备组织胶原装置时应尽量加以保留。制备过程中,还应尽可能地保留组织基胶原中的蛋白多糖,以维持胶原固有的卷曲。胶原的这种结构特点有利于组织在受到外力作用时能量的耗散,使胶原避免破裂。

2. 不同形式的胶原基生物材料

以胶原为主要或唯一组分制备医用材料,已有大量的报导与专利。

表1 虽仅是部分摘录,但也已表明胶原基产品在多个医疗领域应用的可能性。其中一部分已进入人体实验、部分限于动物实验,有些已步入商品阶段。胶原在以上某些领域使用时,因需求量或因其它替换材料的价格低,成为商品的可能性较小。但胶原的多功能性,特别是胶原可与其它重复物因子一起成为复合体的特点,便获得了合成高分子不可替代的应用机会。

表1 胶原基生物材料在医学中的应用实例

医用领域应用材料提供方式

心血管手术血管置换、心脏瓣膜T

牙科牙周接合、牙槽脊强化P

皮肤科组织增强增殖

敷料P

食管手术增强增殖P

通用手术疝修复粘合屏障止血组织粘附P T P

神经外科神经导管神经修复P P

眼科角膜移植玻璃体置换视网膜再附着P T P P

矫形外科骨修复关节软骨重组十字性韧带重组P P P 、T

耳科鼓膜替换P

泌尿科输尿管替换肾修复渗滤膜尿失禁P P

其它药物释放P

T —以组织基形式提供(tissue -based) ;