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胶原及胶原基医疗器械的现状与未来
2021年04月20日 | 点击数:306 | 【】【】【
   胶原是各种结缔组织中细胞外基质的主要成分,是哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质,约占总蛋白含量的20%-40%。作为一类蛋白质家族,胶原的种类繁多、数量庞大,迄今为止,已经被发现并鉴定的胶原类型有28种以上。
   由于胶原在人体组织中广泛存在且在生理活动中发挥重要作用,因此胶原一直是基础理论和应用研发的主要对象之一,在生物医用材料和医疗器械产品方面尤为活跃。鉴于动物源胶原存在免疫原性和病毒传播的风险,所以胶原及胶原基医疗器械始终是监管的重点对象。近几年,利用生物合成技术制备的人源化胶原蛋白发展迅速,已成为具有良好发展前景的医疗器械新材料。
   2019年,国家药监局启动中国药品监管科学行动计划,医疗器械新材料监管科学研究位列首批启动项目之一。动物源胶原、人源化胶原均属于医疗器械新材料监管科学研究范畴,目前针对胶原理化性能表征、生物安全性评价等各项研究正在有序推进、逐步完善。其中,动物源胶原的监管重点除了常规的生物安全性评价以外,着重完善免疫原性及病毒传播风险的监管;而人源化胶原蛋白在免疫和病毒方面具备优势,因此其监管重点偏向于理化表征和生物安全性等方面。
 
   人源化胶原研究成果突出
   鉴于天然胶原在人体组织中的重要作用,科研人员长期致力于获取高纯度且保留主要天然特征的胶原,仿生构建具有天然细胞外基质组成和结构特征的胶原基产品,用于基础科学研究和临床实践应用。概括而言,目前主要有两种途径和方法获取胶原,分别是以人体或动物组织为原料的组织提取技术,以及利用基因重组技术并通过发酵等方法制备的生物合成技术。
   动物源胶原的研究历史相对较长,提取、纯化工艺相对成熟稳定,近几年更多的是在优化工艺以达到性能稳定和风险控制之间的平衡。相对来说,近几年生物合成技术制备的重组胶原蛋白取得明显进步,人源化胶原的筛选与制备是其中较为突出的成果之一。
   由于人源化胶原要求与人胶原或其片段完全相同的氨基酸组成与序列,同时能进一步形成二级结构。因此,如何分析并筛选获得人胶原中的目标功能区成为了人源化胶原研发的首要关键环节。进一步地,对该目标功能区进行蛋白结构解析也是认识并掌握其生物功能的基础条件。在确定人胶原目标功能区以后,还需要对基因重组过程进行优化,提高基因转录和蛋白表达率,获得优选的基因重组菌种并构建适宜的发酵培养工艺体系。最后,还需要扩大发酵培养工艺,特别是实现去除内毒素、宿主蛋白等针对目标蛋白的纯化手段与工艺优化,最终获得高纯度、高稳定性的人源化胶原蛋白产品。由此可见,人源化胶原的研发不同于动物源胶原的提取、纯化,需要多个不同行业研究人员共同参与,涉及理论计算、基因转录、生物发酵、蛋白纯化以及生物制剂工程化等不同专业技术领域,这可能也是限制人源化胶原快速发展的主要原因之一,也是医疗器械新材料监管科学研究需要考虑的具体内容和难点。
   目前,国内外都在积极开展胶原及各种活性仿生多肽的研发工作,在人源化胶原研究方面,国内已取得突破性进展,居于世界领先水平。山西锦波生物医药有限公司联合复旦大学、中科院生物物理所等多家科研机构,潜心十余年,筛选出人III型胶原的核心功能区并进行高分辨率的蛋白结构解析,培育转基因菌种并实现人源化胶原的产业化。由于胶原基医疗器械产品是针对具体的临床问题展开基础理论和临床应用的研究,所以涉及面广泛且专业性较强,截至目前,仅有人源化III胶原蛋白植入剂进入产品申报阶段(创新医疗器械特别审查申请审查结果公告2020年第18号)。
   与此同时,利用人源化III型胶原已开展了系列医疗器械的应用基础研究,如用于光老化皮肤的改善与修复,注射到大鼠真皮层后,可以提高光老化皮肤中胶原含量,使皮肤弹性明显优于光老化组与正常老化组,综合状况得到显著提高;用于妇科阴道黏膜损伤与萎缩修复,使黏膜增厚、绒毛化状态与临床治疗组相近,阴道组织中I型和III型胶原含量明显增加;用于血管支架涂层,结果显示涂层支架表面抗凝血性能优异,可以显著抑制内膜增生及再狭窄,同时可有效促进支架表面沿血流方向的内皮化;用于改性心脏瓣膜材料的促内皮性能优异,具有稳定的长效抗血栓形成能力。
 
   胶原被广泛用于器械研发
   据不完全统计,胶原可被加工成海绵、膜、水凝胶等形式,用于骨、软骨、韧带、角膜、心血管、皮肤等几乎涉及人体各个组织的相关研究与开发中,且在有些方面已取得较为显著的成果,如我国第一个组织工程产品——人工皮肤中的主要成分就是牛胶原蛋白。近些年,胶原敷料、胶原海绵、胶原膜、胶原凝胶等胶原基医疗器械获得产品注册证,用于创面覆盖、止血和非承力软硬组织的修复再生等。另外,以胶原为主要原料制备的注射植入剂在医疗美容领域也有良好的应用效果,如以牛胶原蛋白或猪胶原蛋白为主的面部真皮组织和鼻唇沟充填剂、含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球体和牛胶原蛋白的皮下植入物系统等。
   随着研究的逐步深入,胶原及胶原蛋白产业具有广阔的发展空间。据美国Grand View Research机构的调查数据,2019年全球胶原蛋白行业规模约为153.56亿美元,2027年预计能达到226.22亿美元;其中,医疗健康领域的胶原蛋白行业规模在2019年为76.04亿美元,预计2027年能达到111.17亿美元,约占总市场的一半。胶原蛋白在医疗健康领域中的应用是未来市场增长的主要驱动力,年均复合增长率为5.4%左右。数据同时显示,我国胶原蛋白市场在全球范围内所占的份额较小,约为6.40%,但年均复合增长率达到6.54%,表现出良好的增长态势和发展空间。
 
   人源化胶原医疗器械大有可为
   概括而言,利用生物合成技术制备的人源化胶原与动物源胶原相比具有以下几方面的明显优势:由于人源化胶原的氨基酸组成与序列与人胶原片段完全一致,因此在现有的知识水平内,人源化胶原没有传播病毒与免疫原性的风险,具有极好的安全性;人源化胶原是筛选自人胶原特定片段的功能区,因此具有较为明确的材料-细胞相互作用和特定的功能性,能够进一步影响细胞行为及细胞外基质的重构; 人源化胶原可以基于人胶原的核心功能区进行特定的设计与组合,通过功能区的组合定制,进一步提高材料的功能性和组织修复重建的能力;人源化胶原可以弥补自然丰度较低但又具有特定功能的某些人胶原难以提取、纯化的不足,如V型、XVII型胶原等。
   尽管生物合成技术制备人源化胶原具有多方面优势,但还需要克服一些难点才可以更好的开发出基于人源化胶原的医疗器械产品,如现有的重组技术还不能获得含有羟化氨基酸的胶原,获得的人源化胶原在体内的转归尚不十分明确等。在进一步完善人源化胶原的长期安全性评价和功能性验证的情况下,人源化胶原有望取代大部分现有的动物源胶原产品,基于人源化胶原的国产医疗器械产品也有望于国际率先进入市场。(作者单位:国家生物医学材料工程技术研究中心,四川大学生物材料工程研究中心)
 
   相关链接:胶原制备技术及优缺点
   组织提取技术:该技术主要是以胶原丰度较高的人体、动物组织为原料,综合利用物理、化学、生物等技术去除天然组织中的毛发、脂肪、肌肉等成分,提取并进一步纯化获取特定类型的胶原。以人体组织为原料的组织提取技术,主要包括以婴幼儿包皮为原料提取人I型胶原,采用人胎盘提取人I型、III型、IV型和V型胶原。由于艾滋病、肝炎等疾病传染性强,甚至可以突破母婴屏障,所以,以人体组织为原料制备的医疗器械可能存在传播疾病的风险;同时,鉴于人体组织来源有限,以及伦理方面的考虑,较少有采用其他人体组织进行胶原提取并制备胶原基医疗器械产品的研究。以牛、猪、禽类、鼠和海洋生物等动物组织为原料提取胶原具有工艺成熟、价廉易得等优势,因此动物源胶原也是目前胶原基医疗器械产品的主流,其中绝大多数是以牛和猪的皮肤、肌腱等原料提取的胶原。但是,动物源胶原也存在一定的技术瓶颈和质量风险。一方面是动物携带的一些病毒、细菌可能会引起人的重大疾病,如牛海绵状脑病,即疯牛病(BSA)等传染性海绵状脑病病毒潜伏周期长,且暂无有效的活体检验、监测和治疗方法,而胶原独特的组成与结构对于温度、射线、化学因素都较为敏感,且因为分子量较大、黏度较高而不便于过滤灭菌,因此,动物源胶原病毒和传染性因子的风险管控成为植入医疗器械研发与转化过程中需要严肃面对且合理解决的重要课题。
   另一方面的质量风险在于免疫原性。由于胶原属于大分子蛋白质,存在非螺旋端肽且结构复杂,分子侧链上连接糖蛋白等原因,制备动物源胶原需在工艺过程中采取相应措施对具有潜在免疫原性的物质(如核酸、蛋白、多糖、脂质和其他小分子物质等)进行去除或对其抗原表位进行消除,而这些降低免疫原性的手段和方法可能会影响胶原的组成或结构,进而牺牲其作为生物医用材料的性能或增加新的风险,因此如何有效降低动物源胶原的免疫原性并最大程度地保留其优势性能,成为组织提取技术的工艺重点和难点,也成为医疗器械监管的关键点之一。
   生物合成技术:该技术的核心内容是利用转基因技术将胶原或类胶原的基因转录到酵母、大肠杆菌等载体,从而表达相应的蛋白并进一步纯化获取胶原或类胶原片段。该技术的最大优势在于可以人为筛选或设计特定的基因片段,进而获得具有特定氨基酸组成和序列的蛋白质产物。目前,国内市场有以下三类采用该技术生产的胶原蛋白产品:一类是制备的蛋白符合天然胶原的部分特征,如Gly-X-Y的重复结构,但其序列与天然胶原蛋白片段的序列不完全一致,这一类蛋白可以统称为类胶原蛋白;第二类是氨基酸序列与人天然胶原蛋白或其片段不完全一致,或包含的人天然胶原蛋白片段无特异性功能(通常小于20个氨基酸),或含有非人天然胶原蛋白的序列,这一类蛋白称为非人源化胶原蛋白;还有一类是氨基酸序列与人天然胶原蛋白或其片段(通常不小于20个氨基酸)完全一致,或是上述功能片段的组合,不应含有非人天然胶原蛋白的序列片段,这一类蛋白可以称为人源化胶原蛋白。简而言之,前两类是借鉴天然胶原组成特征而“发明”的一种蛋白质,在自然中是不存在的,而第三类是基于人天然胶原功能片段的“发现”进而人为合成制备的,是人体组织胶原中的一部分。因此,基于现有的科技认知水平,理论上以人为“发明”的类胶原或非人源化胶原为基础构建的植入器械还是可能存在引起各种副作用的风险,而基于“发现”而制备的人源化胶原则具有更好的安全性。
   当然,利用生物合成技术制备的重组胶原蛋白也还存在一些问题和不足。由于转录的基因都需要通过酵母或细胞宿主进行蛋白表达,而这些宿主自身也会表达各种蛋白,所以通过生物合成技术获得的蛋白需要经过针对性且高效率的纯化才可以获取目标蛋白,这也成为重组胶原蛋白制备的技术关键之一。另外,由于目前表达较为高效的载体通常为酵母或大肠杆菌,而这些载体的蛋白表达能力与哺乳动物还是有所差异,其中较为明显的一点就是不能直接表达羟脯氨酸和羟赖氨酸。由于这两种氨基酸对于胶原的结构稳定性有重要影响,甚至参与胶原与细胞的相互作用,与人体的某些生理活动有一定的关联,因此目前的重组胶原蛋白还有一定的局限性,还不能完全复制天然胶原并替代其全部功能。
 
 (来源:中国食品药品网)
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