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胶原蛋白的来源及其在化妆品中的应用

荣格Happi2018-12-29 04:48:41
概要

胶原蛋白是一种纤维状蛋白质,在人体内形成连接组织和结缔组织,主要处于皮肤、关节和骨骼中。由于其在生物结构中的连接作用,胶原蛋白是许多生物体中最丰富的分子之一。由于其丰富性,强度及与皮肤老化成正比的关系,胶原蛋白在化妆品行业引起了人们极大的兴趣。研究已经证明,胶原纤维随着时间的流逝而逐渐损伤,丧失其原有的厚度和强度,而这正与皮肤老化现象密切相关。作为一种解决方案,化妆品行业将胶原蛋白作为不同治疗的成分,以改善使用者的年轻和健康状况。一些常见的治疗产品是面霜,以及骨和软骨再生、血管和心脏重建、换肤和增加皮肤柔软涉及的营养补充产品。目前,胶原蛋白可以从天然的来源中(如植物或动物)中提取,或通过产生重组蛋白的生物系统获得。产生重组蛋白的系统包括酵母,细菌,哺乳动物细胞,昆虫,植物或模拟胶原特征的人造原纤维(如商业上命名的人造聚合物KOD)。由于胶原蛋白使用量的增加,预计到2025年,其市场规模估值可以达到66.3亿美元。然而,在确定哪种胶原蛋白类型最适合用于美容方面的研究却很少。为此,此综述将尝试从大众层面探讨这个无人问津的问题。


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背景介绍

美一直是个人外观及社会文化的一个标志,举例来说,人们可以看到不同地域对美的不同标准,如亚马逊流域哥伦比亚土著在皮肤上的纹身,或西方文化中经常看到的光芒四射的皮肤和身材苗条的人物。现在,年轻和健康的皮肤是美的标准。这个时代的消费者必须接受这个现实,这就促使更多的研究集中在寻找不同的改善皮肤质地的化妆品替代物,从而达到期望的光滑和年轻的外观。


市场上最常见的解决方案中,消费者可能会看到剥皮霜,面霜,电流类产品,以及具有水解生物分子的口服液。这些产品可以改善皮肤状况。所有这些技术都集中在一个共同的目标,在用户的皮肤中增强或产生胶原蛋白。


胶原蛋白是人体内最丰富的蛋白质之一。它通过在细胞结构中产生支撑的网来维持身体组织的稳定性和强度。随着时间的推移,胶原蛋白纤维受到损伤。其损伤后的后果之一,即是给皮肤带来皱纹效应。研究表明,当受试者摄入水解蛋白质时,损伤的纤维可以被新的纤维取代。这个研究结果推动了胶原蛋白的生产,以帮助人们恢复和改善外观。因此,化妆品行业十分积极地将这种生物分子并入到目前可用的化妆品中。


目前研究已经证明,胶原蛋白水解产物具有抗氧化性,抗高压活性,降脂活性及在受损皮肤中的修复特性等生物活性。此外,研究人员观察到胶原蛋白水解产物在皮肤中具有双重作用。首先,为弹性蛋白和胶原蛋白的形成提供结构单元;其次,在成纤维细胞中作为配体或结合受体,从而刺激前述成分和透明质酸。


胶原蛋白具有不同的类型,但是很少有人来研究哪种类型最适合化妆品。通过此综述,读者可以了解到目前为止胶原蛋白哪些类型被确认,哪些类型在化妆品行业应用最多及其来源,以及胶原蛋白在化妆品行业中应用的未来趋势。


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目标

了解哪种胶原蛋白更适合化妆品行业的需求及其来源。


2.1

胶原蛋白的定义

根据蛋白质数据库,胶原蛋白是人体中最丰富的结构蛋白质,对肌腱,皮肤和牙齿(胶原蛋白与矿物晶体结合)等各种组织提供支持。所有基于三条螺旋多肽链结构的蛋白质(图1)均属于胶原蛋白家族,至今已鉴定了26种类型。


图1. 胶原蛋白的三螺旋结构


三个多肽原纤维具有10~500nm的直径,约285kDa的分子量。它具有1400个氨基酸,其特征是每三个残基中含有一个甘氨酸,由此形成其特征性的纤维状螺旋结构。


胶原纤维通常是白色不透明的,并且容易在组织中被识别。它是具有高拉伸强度和低延展性的粘弹性材料。其等电点约为pH5.8。就温度而言,大多数哺乳动物的原纤维收缩温度(Ts)范围为62℃至65℃,而鱼的原纤维收缩温度范围为38℃至54℃。此外,其变性温度比收缩温度低25℃到30℃。


众所周知,胶原蛋白是免疫原性低的分子,当其被摄入或注射到其他个体内时不被接受的可能性很小。唯一能够引起免疫反应的部分位于链的螺旋区域和末端肽区域。


即使该分子具有低抗原性,经修饰后也可以消除任何免疫应答。这种状态的分子可以通过消除带状结构获得,使用物理方式加热或化学方式利用蛋白酶或交联降解非螺旋断面均可行。


2.2

胶原蛋白的类型和用途

到目前为止,胶原蛋白已被分为26个不同的类型。根据其结构,链接和人体中的位置可分为八个家族。这些类别包含:纤维胶原,基膜胶原,微纤维胶原,锚定胶原,六边网状胶原,纤维相关胶原,跨膜胶原,和复合胶原。最常见的胶原蛋白类的结构如图2所示。


图2. 显微镜下常见的胶原蛋白类型:

A,纤维胶原;B,基膜胶原;C,微纤维胶原;D,锚定胶原;E,纤维相关胶原;F,跨膜胶原


这些胶原蛋白应用广泛。它们可用作细胞培养细胞株的锚,可用作人造血管的生物材料,可用作自主注射的微粒,可用作再生组织支架,可用作明胶和化妆品的原料,其他用途列于表1。


表1. 胶原的类型,人体中的功能,以及工业中的应用


值得一提的是,尽管人们已经发现了大量的胶原蛋白类型,但是目前仅仅纤维胶原被充分应用。在化妆品行业中,由于胶原蛋白的可获取性,生物相容性和生物降解性,因而它是化妆品配方的候选原料。在减缓皮肤老化过程中,胶原蛋白是一个很好的选择目标。因为老化过程主要发生在真皮层,这个皮肤层90%由I和III型胶原构成。其中,I型占60%~80%,III型占15%~20%。


在下面的章节中,我们将描述化妆品行业最相关的胶原蛋白来源。应用于医疗方面的胶原蛋白我们不予探讨,因为此综述集中讨论胶原蛋白在化妆品行业的应用。


2.3

天然来源

胶原蛋白可以从动物和植物中获得。从动物来源来看,最常见的是牛,猪,人类胶原蛋白,以及海洋生物如鱼鳞和鱼皮等。在这些动物来源中,牛胶原通常用于涂抹外伤及身体上的烧伤处。由于它的有效性和生物相容性,牛胶原具有很大的应用价值。与此不同,猪胶原蛋白可能有助于软组织移植。它在生物相容性手术中可以用作自体移植替代物的材料。


胶原蛋白的动物来源包括鸡,袋鼠尾巴,鼠尾肌腱,鸭脚,马腱,鳄鱼皮,鸟脚,羊皮和蛙皮。其中I型和II型胶原蛋白来自马的皮肤,软骨和屈肌。I,II,III和V型胶原蛋白来自鸡脖子。IX型常见于鸡胚胎胸骨软骨,I型及III型来自皮肤,IV型来自肌肉组织。


以上所提到的胶原蛋白来源价格低廉且容易获取。但是经过长时间的使用和鉴定,这种来源的胶原蛋白易于引起过敏反应和错误折叠,从而引发诸如成骨不全等疾病。为了解决这个问题,可以对胶原蛋白进行修饰,或者寻找新的动物来源。另一种合适的天然来源是海洋胶原。据报道,海洋胶原没有传播疾病的风险,并被FDA认作GRAS(通常被认为是安全的)。由于海洋生物的许多部位均含有胶原蛋白,因此它的价格也很低廉,但从而也引起人类对其的浪费。表2列出了一些最常见的海洋胶原来源。


表2. 胶原蛋白的海洋来源及可用于提取的物种


2.4

合成来源

胶原蛋白广泛应用于凝血,伤口愈合和组织重塑。动物来源的(天然的)胶原蛋白被用于许多临床应用中。但是在炎症反应,由于其不同批次间的变化性及可能的疾病转染,人们仍存在一些担忧。为了避免免疫问题,研究人员已经发现一些合成胶原蛋白,如商业上命名为KOD的材料。


这是一种由36个氨基酸组成的合成蛋白,它可以自组装成三螺旋纳米纤维和水凝胶。它能够模仿天然胶原蛋白,并改善基于天然胶原蛋白的疗法。KOD的肽序列为(Pro-Lys-Gly)(Pro-Hyp-Gly)(Asp-Hyp-Gly),单字母氨基酸缩写为(P-K-G)(P-O-G)(D-O-G),因而最后取名KOD(图3)。


图3.(A)与天然胶原蛋白相似的纤维网络(SEM,比例尺1微米);(B)合成胶原基质形成的坚固凝胶,可以抵抗镊子处理或其他物理作用


这种材料是天然胶原蛋白在蛋白质结构和折叠方面的理论类似物,同时也是促进血小板活化和粘附的促凝血成分。由于KOD能够阻止红细胞以停止流血,因而它可以用作止血剂或凝血剂。它还能结合并激活血小板形成凝块,促进伤口愈合而不引发炎症。


胶原蛋白的另一种合成来源是利用重组技术开发的,其目标是生产高质量的动物来源的无污染胶原蛋白。这些重组胶原蛋白已经在哺乳动物细胞,昆虫细胞培养物,酵母,但最主要的在植物细胞培养中生产。目前已报道的使用烟草,转基因玉米种子和大麦生产的源于植物的重组胶原蛋白,它们已经在骨,眼睛和皮肤中用作海绵,最近也用作纤维和凝胶。这些源于植物的胶原蛋白在处理能力和治疗效果方面与动物胶原蛋白相比更有优势。尽管这些重组蛋白具有应用前景,但重组技术存在成本高,产出低,体系中缺乏辅助因子或酶等缺点。而这些因素对稳定形成具有生物功能和生物活性的胶原蛋白至关重要。由于存在这些缺点,使得动物胶原蛋白依然是研究和临床领域的使用标准。


尽管人们已经发现了胶原蛋白的一些合成来源,但还有另外一种天然安全的胶原蛋白来源:海洋动物。海洋中的鱼类,海星,海蜇,海绵,海胆,章鱼,鱿鱼,墨鱼,海葵,虾等的骨头,皮肤,鱼翅,鳞片都可用于提取胶原蛋白。海洋动物的胶原蛋白比陆地动物的胶原蛋白具有更多的优势。例如,由于分子量低而能够被大量吸收,生物污染物和毒素几乎可以忽略不计,炎症反应低等等。胶原蛋白的一些天然安全来源及其可被提取的物种列于表2中。


这些海洋胶原蛋白是非常好的胶原蛋白来源,因为它没有疾病传播的风险且产量高。然而,胶原蛋白在各种应用中的使用往往取决于热稳定性,而这与生物体的体温和生活环境有关。海洋胶原蛋白的低热稳定性限制了它的应用。


2.5

化妆品行业的胶原蛋白

如前所述,胶原蛋白因为它的生物活性而被发现。它在化妆品,制药和临床领域具有巨大的应用潜力。最主要并且最丰富的胶原蛋白是I型,II型和III型。这些类型的胶原蛋白形成组织的结构性纤维,而其他胶原蛋白则只参与纤维与其他纤维的结合。因此,其他类型的胶原蛋白尚未用于美容使用方案中。


对于纤维胶原蛋白而言,由于I型胶原蛋白与人体具有高度的生物相容性,因此最常用于化妆品中,是行业中的黄金标准。据报道,在组织工程中,生物材料主要基于纤维胶原蛋白(I型,II型,III型,V型,XI型)。并且,I型胶原蛋白可被用作化妆品,牙科复合物,皮肤再生模板,生物可降解基质,眼科的胶原蛋白保护层的成分。其他非化妆品方面的应用主要作为酶生产中具有固体支持作用的微载体。


对于胶原蛋白的来源,研究人员和开发人员正专注于研究不同的胶原蛋白来源,以避免使用牛胶原蛋白。如前所述,这是由于蛋白质错误的折叠和过敏反应。例如,海洋胶原蛋白(I型)被认为具有优质的功效,并且它的来源便宜,能够避免牛海绵状脑病(BSE),这使它成为产品开发者的一个有吸引力的选择。


正因为如此,海洋胶原蛋白(I型)已开始用于需要高效性和生物相容性的领域。例如,在医疗领域,由于其免疫原性低,常被用于人造皮肤移植,伤口敷料和神经导管等的植入物中。在化妆品行业中,由于其特性,可用于高保湿功效的霜和凝胶。但它在其他方面的应用也具有潜力,如抗衰老,抗皱,紫外线辐射防护,以及其他应用中的伤口愈合等。海洋胶原蛋白(I型)在化妆品配方中的应用与其成膜特性有关。当它被涂抹于皮肤表面,可以减少经皮水分流失,保护皮肤免受腐蚀。


尽管存在BSE的风险,但牛胶原蛋白仍然是提取和合成基础胶原蛋白产品的常用来源。猪胶原是提取胶原蛋白和相关产品的第二常用来源。然而,预计在一定年限中,海洋胶原蛋白将以最快的速度增长并占据首位。

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结论——未来展望

胶原蛋白是动物界中最丰富的蛋白质。它具有不同的类型,并在我们的身体中发挥特定的功能。每种类型的胶原蛋白基于其蛋白质结构特征表现出不同的功能特性。基于胶原蛋白的生物材料,由于其具有高度的生物相容性和低免疫原性,因此对组织工程和再生医学非常重要。


为避免传染性疾病和免疫问题的发生,更多类型的胶原蛋白及其替代物还有待寻找。因此,确定未来可用的未知胶原蛋白及其来源的研究仍在继续。


2016年,全球胶原蛋白市场(图4)规模约为37.1亿美元。该市场预计未来几年会出现大幅增长,2025年预计达到66.3亿美元。胶原蛋白市场规模增长的主要原因是对于饮料和食品,化妆品和医疗保健的需求日益增长,同时这种增长也可归因于全球人口增长。在2017年至2025年间,全球组织工程胶原蛋白市场的年复合增长率可能达到10.4%。


图4. 全球组织工程胶原蛋白材料市场的收入


需要强调的是,由于现在存在各种类型的胶原蛋白,因此所有的化妆品和药品都应该指出它们的产品配方中使用哪种类型的胶原蛋白及其原因。不仅要知道它在人体中将发挥什么作用,还要知道胶原蛋白的来源是否会干扰患者的体内平衡。


所有已被发现的天然胶原蛋白及合成胶原蛋白的发展都对胶原蛋白产业有着很大的影响。预计未来几年,化妆品行业的研究领域将迎来越来越多崭新而有趣的机遇。



文章来源

《HAPPI China》1月刊