重组 III 型胶原蛋白在护肤品和药械领域的应用综述

1  引言

胶原蛋白是一类丰富的蛋白质，存在于皮肤、骨骼、肌腱、软骨和血管等多种组织中，它们通过蛋白多聚形成的高级结构行使各类功能，在细胞、组织、器官的生命活动中起到重要作用。目前已知至少有 28 种不同类型的胶原蛋白，其中 I、II、III 和 IV 型在体内最为常见。III 型胶原蛋白是由三条相同的多肽α链螺旋缠绕形成三股螺旋结构，它具有高度保守的氨基酸序列，甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸在特定位置的重复出现，形成其独特的三维结构，与I型胶原蛋白一起形成了皮肤的基底膜，提供了强度和弹性支撑，确保皮肤的张力和韧性。在皮肤的再生过程中，对于伤口愈合和细胞迁移至关重要。同时，III型胶原蛋白对于血管的发育和维护发挥重要作用，它赋予血管必要的柔韧性和弹性。此外，在临床症状如瘢痕形成和某些遗传性结缔组织疾病如埃勒斯-当洛综合症中，III 型胶原蛋白显示出其重要性。鉴于III 型胶原蛋白的诸多功能，开发具有更强生物学活性、安全性、亲水性和低免疫原性的重组 III 型胶原蛋白的技术，无论是用于改善皮肤美容，促进伤口愈合，还是用于生物医用材料，都显示出巨大的应用前景。重组技术的发展已经使得 III 型胶原蛋白可以在无需使用动物源的情况下以高纯度和高特异性生产，这为它在护肤品和药械领域的应用奠定了坚实的基础。本文综述了III型胶原蛋白的生产及纯化工艺，以及在护肤品和药械领域的应用。

2 重组III型胶原蛋白的生产及纯化

重组 III 型胶原蛋白是利用基因工程技术以人胶原III型原始基因序列经过优化重组表达得到的。在重组III型胶原蛋白的生产和纯化过程中，正确选择表达系统和执行高效的提取及纯化步骤对于最终产品的质量至关重要。同时，质量控制措施确保蛋白质的纯度、生物活性以及安全性，这些是后续应用的基础。随着技术的进步，上述流程正在不断优化，以提高产量、降低成本并扩大重组 III 型胶原蛋白在医疗和美容领域中的应用。

2.1表达系统的选择

重组蛋白的生产依赖于有效的表达系统，已用于重组人源胶原蛋白表达的宿主细胞包括细菌、酵母、昆虫细胞和哺乳动物细胞等。每种系统都有其独特的优势和局限性。细菌表达系统成本低、生长快速和表达水平高，但它们常常无法进行正确的蛋白质折叠和后修饰；酵母表达系统能进行某些后修饰，同时保持较高的生长速度和表达量，发酵成本较低，遗传背景清晰，操作性强，适宜工业化生产；哺乳动物细胞表达系统提供最接近人类体内环境的翻译后修饰，适用于需要高度修饰的胶原蛋白生产，但发酵难度大、纯化成本高且产量低，不适宜于大规模生产，多用于实验室研究。目前III 型重组人源胶原蛋白表达系统以大肠杆菌和毕赤酵母居多。川大-锦波功能蛋白联合实验室选取人胶原基因COL3A1的关键片段区域483–512aa进行重复拼接，并在大肠杆菌工程菌中诱导表达，得到水溶性强、生物活性高的重组人源化 III 型胶原蛋白。华南理工大学蔡思泽等转化毕赤酵母 GS115 实现了人源Ⅲ型胶原蛋白的整合表达，获得了胶原蛋白单串联、胶原蛋白二串联和胶原蛋白二串联四拷贝的毕赤酵母工程菌株。Rutschmann等人在大肠杆菌中共表达人III 型胶原蛋白片段和病毒的 P4H 和赖氨酸羟化酶，成功地获得了产量为 90mg/L的羟基化人 III 型胶原蛋白。

2.2重组蛋白的提取和纯化

重组蛋白在成功表达需进行进一步的裂解、纯化。裂解步采用超声波、高压均质等物理或洗涤剂、溶解剂等化学方法，破坏宿主细胞壁和膜，释放蛋白质。初步纯化包括沉淀、离心、过滤等步骤，以去除大部分杂质如未裂解的细胞和细胞碎片。进一步纯化一般采用色谱技术，包括离子交换、亲和、凝胶渗透和液相色谱等，根据蛋白质的独特性质如电荷、亲水性、大小和结合亲和力分离目标蛋白。成都中医药大学梁鑫等利用酵母分泌表达获得重组人Ⅲ型胶原蛋白发酵液，以盐析沉淀和阳离子柱层析结合的方法，纯化出高纯度的重组人Ⅲ型胶原蛋白。江南大学李瑛琦等设计类人胶原蛋白基因试剂盒并在大肠杆菌中获得成功表达，通过发酵罐扩大培养，并经超滤初纯及亲和层析，最终得到了纯度约为91%的类人胶原蛋白。

3 重组III型胶原蛋白在护肤品中的应用

随着生物技术的发展和消费者对安全有效成分的需求日益增长，重组 III 型胶原蛋白在护肤品市场中发挥愈加重要的角色。

3.1 重组 III 型胶原蛋白作为护肤成分的优势作用

一方面，重组 III 型胶原蛋白的生物相容性及安全性很高，原因在于其严格受控的生产条件不但杜绝了潜在的动物源性疾病传播风险，并且可以避免因个体差异而引起的过敏反应，使其适合长期应用在敏感肌肤上。

另一方面，重组III型胶原蛋白可以增强皮肤弹性、减少皱纹、深层滋润、促进皮肤愈合。皮肤的弹性依赖于胶原蛋白和弹性蛋白网络的完整性。III型胶原蛋白在皮肤的弹力纤维中占据重要位置，与I型胶原蛋白相互作用来支持皮肤的结构。随着年龄的增长，皮肤中III型胶原蛋白的含量逐渐减少，通过外部补充可以帮助保持皮肤弹性和紧致性，提高皮肤的水和能力，并且能够刺激皮肤产生更多胶原蛋白，从而有助于填充细纹和皱纹，实现抚平皱纹的效果。 

3.2 重组 III 型胶原蛋白作为护肤成分的应用方式

重组 III 型胶原蛋白可应用于产品配方、皮肤渗透、协同成分等中。目前应用最多的是被集成到各种护肤品配方中，包括面霜、精华液、面膜和眼霜等，以充分利用其抗衰老、促进愈合和保湿的特性。但是，由于胶原蛋白分子结构较大，其皮肤渗透率是一个挑战，为提高渗透性，护肤品中可能需要使用特殊的递送系统如脂质体或微乳液，将其有效地输送到皮肤的深层。另外，为达到协同增效的作用，重组III型胶原蛋白通常与其他有益皮肤的成分如抗氧化剂（维生素 C 和 E）、透明质酸（保湿剂）和肽类（信号分子）等结合使用，协同增进皮肤健康。 

4 重组 III 型胶原蛋白在医疗器械领域的应用

重组 III 型胶原蛋白因其优异的生物兼容性、促进愈合的特性以及高纯度、高安全性等优势，在医疗器械领域的应用日益增加。

4.1组织工程

在组织工程中，重组 III 型胶原蛋白被用作支架材料，以支持细胞附着、增殖和分化。作为细胞外基质的主要组分之一，它提供了一个良好的模仿自然生物环境的平台，例如，在皮肤、血管和其他软组织的再生中，用作细胞生长的“脚手架”，促进新组织的形成。

4.2 伤口敷料

在人体伤口愈合过程中，III型胶原蛋白的表达显著增加，它参与了新细胞外基质的形成和重塑，为新生组织的发展提供基础支持。重组 III 型胶原蛋白应用于伤口敷料中不仅能促进成纤维细胞的迁移和增殖，还可以吸附液体形成保护性凝胶，加速自然愈合过程，其纤维细小且具有良好弹性的特点为病理性瘢痕恢复发挥独特的作用。此外，敷料中的重组 III 型胶原蛋白能够降低伤口的炎症反应，这对于慢性伤口和难愈合伤口的治疗尤其重要。

4.3 可吸收缝线

在手术缝合中，可吸收缝线是一种非常重要的医疗器械。重组 III 型胶原蛋白作为天然生物材料，能够被人体吸收，减少了患者体内异物的长期残留。相对于传统的合成吸收性材料，重组 III 型胶原蛋白缝线可能提供更好的生物相容性和更少的炎症反应，这对于提高伤口愈合的质量和减少术后并发症至关重要。

4.4 其他药械产品

除了上述应用外，重组 III 型胶原蛋白还被广泛研究和应用于多种医疗设备和药械产品中。例如，在心脏瓣膜修复、软骨和骨骼修复以及牙科植入物等应用中，重组 III 型胶原蛋白都显示出了良好的生物相容性和功能性。此外，在缓释药物输送系统中，重组 III 型胶原蛋白可用作载体材料，通过控制药物的释放，改善治疗效果。 

5 市场及展望

重组 III 型胶原蛋白作为一种生物制品，在全球市场的应用范围不断扩大，尤其在生物医药和美容护肤品中。受到消费者对于天然和安全成分趋势的驱动，预计重组 III 型胶原蛋白在市场美容护肤市场会持续扩大。随着老龄化社会的到来和慢性疾病患者数量的增加，对促进愈合和再生的生物制品需求不断上升，推动了重组 III 型胶原蛋白在医疗领域的需求增长。

重组 III 型胶原蛋白作为一种具有广泛应用前景的生物材料，未来的发展需要在科研创新与市场需求之间找到平衡。未来研究方向和技术创新可能会集中在精准生物工程、三维打印技术、智能释放系统、结合再生医学等方面。科学家正致力于通过基因编辑技术如 CRISPR/Cas9，提高胶原蛋白的产量和质量，以及定制化胶原蛋白结构，以适应特定的医疗需求；结合重组 III 型胶原蛋白与三维打印技术，精确构建复杂的组织工程结构，从而在重建受损组织和器官；在药物输送系统中开发新的智能材料，用以响应生物信号，精准控制药物的释放时间和位置；寻求将重组 III 型胶原蛋白与干细胞技术相结合，以促进器官和组织再生。探索未来研究方向、技术创新及潜在的市场机会的同时也可能面临各种各样的挑战，如优化生产过程以降低成本、满足日益严格的监管要求及突破生物活性、稳定性等技术挑战。总之，随着技术的进步和市场的成熟，重组 III 型胶原蛋白有望在全球市场占据重要地位，为人类健康和美丽带来更多贡献。