生命科學

萃取自動物的膠原蛋白

膠原蛋白產品的製作,是從動物組織中萃取出膠原蛋白纖維,再以酵素將膠原蛋白纖維切成小分子,最後尚需切斷產生可能引發免疫排斥反應的部份,才能用來製作生醫產品。

撰文/楊嘉慧
審稿/陳松青(和康生物科技公司技術發展處協理)

生命科學

萃取自動物的膠原蛋白

膠原蛋白產品的製作,是從動物組織中萃取出膠原蛋白纖維,再以酵素將膠原蛋白纖維切成小分子,最後尚需切斷產生可能引發免疫排斥反應的部份,才能用來製作生醫產品。

撰文/楊嘉慧
審稿/陳松青(和康生物科技公司技術發展處協理)

  近幾年,膠原蛋白逐漸應用於各種生醫材料,包括皮膚擦傷、骨折或角膜修復等,均已發展出各式各樣的醫療產品。膠原蛋白產品的製作是從動物的皮膚、軟骨、肌腱等組織萃取出纖維絲,再利用酵素分離出膠原蛋白纖維。膠原蛋白分很多型,不同組織的膠原蛋白結構各不相同,因此會視產品的應用而從不同部位萃取。


圖為各種膠原蛋白類醫材。(影像來源:陳松青)


避免免疫排斥反應


  和康生物科技公司技術發展處協理陳松青表示,膠原蛋白由於萃取自動物組織,與人類的膠原蛋白結構略有差異,在製作生醫產品時還要注意免疫方面的問題。目前植入式醫療器材所使用的膠原蛋白原料,必須將萃取出的膠原蛋白經過純化處理,包含去除膠原蛋白末端免疫胜肽區(即容易引發免疫排斥作用的位置)與其他非膠原蛋白物質,另外,也可將膠原蛋白進行交聯處理,都可降低免疫排斥發生的機率。

  前者的方式是利用酵素切除膠原蛋白兩端三股螺旋兩端未纏繞的部份,此處容易引發人體免疫排斥。後者則利用交聯劑(促進分子產生共價鍵或離子鍵的物質,為萃取過程中的反應物)對膠原蛋白進行化學修飾,將交聯劑與膠原蛋白上的自由胺基形成穩固的交聯鍵結,以遮蔽免疫端,因而減少膠原蛋白的免疫原。經過交聯處理後的膠原蛋白,其機械性質增強而更加安定,抗酵素分解的能力也會增強,即交聯劑加得越多,合成的膠原蛋白就越不易分解(註),因此也可藉此特性,針對不同生醫產品,控制膠原蛋白於生物體內的分解速度。


不同動物與人類的膠原蛋白其胺基酸序列差異不大,不過,兩端未纏繞成三股螺旋結構的膠原蛋白分子容易引發人體免疫排斥,因此製成生醫產品時必須利用酵素將之切除。(電腦繪圖:姚裕評)


  目前已知的膠原蛋白有20多型,然而只有前五型的研究較多,而且應用上以I、II型為主。例如從牛皮、豬皮萃取出的I型膠原蛋白,加入多醣類蛋白,模擬人類細胞外間質的環境,即可製造出人工皮膚或人工敷料;若將從肌腱萃取出的I型膠原蛋白與生醫陶瓷(如氫氧基磷灰石)進行加工混合,便可製成人工骨材;而從軟骨萃取出的II型膠原蛋白則應用於軟骨修復。




牙周病沒煩惱:讓骨質再生的膠原蛋白


  膠原蛋白的應用之一是製成膠原蛋白膜,可治療牙周病。牙周病(牙齒周圍的組織,如牙齦、齒槽骨的病變)或是其他口腔疾病引起的顎骨或齒槽骨缺損,即使經過治療也無法使骨質完全再生,原因是組織癒合過程中負責修復的細胞包含牙齦上皮細胞、齒槽骨內的骨細胞及牙周膜中未分化的間葉幹細胞,其中牙齦上皮細胞的生長速度遠超過其他細胞,使得牙齒周圍的大部份空間被牙齦佔據,造成齒槽骨萎縮。

  陳松青表示,1980年代,北歐學者發現用一膜片將牙齦組織與齒槽骨隔絕,騰出骨質生長的空間,讓牙齦上皮細胞以外的修復細胞能聚集在骨缺損區,就可使骨質再生。目前使用的膜片包括鐵氟龍等各種材質,但以膠原蛋白膜最受矚目,原因是它在去除免疫端後,便是低抗原性的材料;膠原蛋白遇血小板易凝結,可幫助止血;它也具生物可分解性,治療完成後直接由人體分解、吸收,不需要再進行二次手術取出膜片(鐵氟龍則為不可分解的材質)。


健康牙齒與牙周病比較圖。牙周病因為牙齦的上皮細胞生長過快,導致牙齦佔據齒槽骨的生長空間,而使牙根不穩固。治療時,可將膠原蛋白膜片置入牙齦與齒槽骨之間,隔出空間,讓修復細胞聚集在骨缺損區,同時,也會將骨質填補物填入齒槽骨缺損處,使骨質再生。(電腦繪圖:姚裕評)


膠原蛋白膜。為治療牙周病時,阻隔牙齦與齒槽骨之用。(影像來源:陳松青)


膠原蛋白骨質填補物。不同形式的骨材應用於不同大小的缺損填補:齒槽骨缺損可使用 圖(1) 粒材(每顆粒0.15~0.5公厘)或將 圖(2) 片材切成小塊填塞;顱顏整形或脊椎骨缺損,則可使用 圖(2) 片材或 圖(3) 塊材,將其裁切需要的大小。(影像來源:陳松青)




人工皮膚,讓細胞穩定生長


  膠原蛋白生醫產品中,以人工皮膚及人工敷料的進展較為成熟。人工敷料應用在淺層、尚未傷及真皮層的燒燙傷,人工皮膚主要是用在已傷及真皮層的燒燙傷,二者均是蓋於傷口上,直到皮膚再生。

  皮膚受傷時,真皮層的纖維母細胞會向傷口處移動,進行增生及分泌細胞外基質,形成暫時性的結締組織;表皮內層的角質細胞,會沿著傷口邊緣移動,進行上皮新生。皮膚修復這段期間,傷口容易遭感染,因此對於大面積受傷,醫師多半會選擇密閉性好的人工敷材或人工皮膚。

  人工敷料及人工皮膚的成份模擬自真正的皮膚,包含膠原蛋白、多醣類蛋白等。當中的膠原蛋白提供細胞在其上穩定生長、分裂的支架。修復過程中,人工敷料或人工皮膚上的膠原蛋白會漸漸被人體的酵素分解,最後只留下人體自己的組織。


膠原蛋白傷口敷料。左邊兩種為不同柔軟度與厚度的片狀敷料,最右邊圓柱狀敷料為拔牙後填塞於傷口內止血之用。(影像來源:陳松青)






註:交聯劑會隨萃取反應過程而殘留於膠原蛋白中,選擇做為交聯劑的化學物質,必須經研究證實對人體無害,也因此目前可使用的交聯劑種類並不多。






延伸閱讀

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〈細胞的支架:膠原蛋白〉,楊嘉慧撰文,科學EasyLearn網路版

〈纖維母細胞:再生反應的領航員〉,蔡妙智、張元豪撰文,《科學人》2008年5月號

〈搶救骨質大作戰〉,羅森(Clifford J. Rosen)撰文,《科學人》2003年4月號

《蛋白質的一生》,永田和宏著,陳嫺若譯,商周出版

高中選修科目《化學》