專業(yè)研究膠原 服務(wù)健康產(chǎn)業(yè)
——記中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員張貴鋒

孫欣欣

膠原蛋白是一個(gè)既古老又現(xiàn)代的話題。人們?cè)?jīng)從7500萬(wàn)年前的恐龍化石中檢測(cè)出膠原纖維；公元前4000年古埃及人開始用動(dòng)物皮制膠，我國(guó)西漢以前開始利用動(dòng)物皮熬制中藥；1935年人們初步確定了膠原的三螺旋結(jié)構(gòu)，1945年后歐洲出現(xiàn)水解膠原產(chǎn)品，1980年后膠原蛋白肽吸收和功效的研究日益增多。到了21世紀(jì)，生物材料蓬勃發(fā)展，膠原逐漸被用于組織工程和組織醫(yī)學(xué)，又漸漸拓展至干細(xì)胞轉(zhuǎn)化、細(xì)胞培養(yǎng)、藥物控釋和醫(yī)美等領(lǐng)域。在我國(guó)，膠原材料已經(jīng)被列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和重點(diǎn)專項(xiàng)。

面向行業(yè)需求重點(diǎn)攻關(guān)

張貴鋒進(jìn)入膠原領(lǐng)域是從研究阿膠質(zhì)量控制方法開始的。

真?zhèn)舞b別一直是阿膠行業(yè)面臨的難題。2001年，張貴鋒所在團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了阿膠企業(yè)委托的真?zhèn)舞b別課題，他認(rèn)真研究了以往文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其中多以阿膠中低豐度物質(zhì)為研究對(duì)象，從整體上考察不同動(dòng)物膠的宏觀性質(zhì)，方法缺乏針對(duì)性且難以消除制膠工藝對(duì)阿膠的影響。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)考察并分析動(dòng)物皮膚降解過(guò)程，他發(fā)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟以及驢皮成分的動(dòng)態(tài)變化，確定了以阿膠中含量最高的膠原降解物作為研究對(duì)象。但隨后又發(fā)現(xiàn)，阿膠中的膠原降解物屬于分子量高度分散、等電點(diǎn)接近、親疏水性相似的多肽混合物——當(dāng)“不同動(dòng)物來(lái)源的阿膠怎么分析都一致”，要鑒別清楚其動(dòng)物來(lái)源談何容易！

關(guān)鍵時(shí)刻，愛因斯坦的一句經(jīng)典名言點(diǎn)醒了張貴鋒：“我們面對(duì)的重大問題永遠(yuǎn)不能在產(chǎn)生問題本身的層次上被解決?！彼_始嘗試跳出固有思路，不再執(zhí)著于阿膠組成分析，而是轉(zhuǎn)向不同動(dòng)物膠原的序列差異?！凹热话⒛z是驢皮降解物，驢皮中主要是膠原，不同動(dòng)物膠原的氨基酸序列存在差異。在序列上比較這些差異就可能獲得膠原的動(dòng)物來(lái)源?！彼氲?。

為了打開思路，張貴鋒先后到美國(guó)學(xué)習(xí)質(zhì)譜、到日本學(xué)習(xí)多肽序列解析、到杭州參加蛋白質(zhì)組學(xué)特訓(xùn)班，終于在2005年建立了膠原的動(dòng)物溯源方法。在這之前，國(guó)際上缺乏膠原類型識(shí)別和動(dòng)物溯源的方法，捷克科學(xué)家Z.Deyl研發(fā)的基于CNBr裂解的方法由于使用劇毒試劑且對(duì)分離方法依賴性較高，該方法始終未獲得大規(guī)模推廣。

張貴鋒的目標(biāo)當(dāng)然還是落在推廣上。膠原的動(dòng)物溯源方法建成之后，他從全國(guó)30多家企業(yè)收集了豐富的阿膠樣品，對(duì)該方法進(jìn)行完善，確立起基于特征多肽的阿膠真?zhèn)舞b別方法雛形。他的研究得到了中國(guó)藥品生物制品鑒定研究院中藥研究所的認(rèn)可，并對(duì)其研究方法加以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的方法2012年成為我國(guó)《藥典》補(bǔ)充檢測(cè)方法，后又被正式列入《藥典》。至此，阿膠成為我國(guó)第一個(gè)基于特征多肽進(jìn)行真?zhèn)舞b別的品種。張貴鋒也因此先后獲得中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)優(yōu)秀青年、山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)和中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)科技創(chuàng)新獎(jiǎng)等榮譽(yù)。但最令他欣慰的是，基于特征多肽的類型識(shí)別和動(dòng)物溯源方法，由于理論依據(jù)明確、針對(duì)性強(qiáng)且兼具定性和定量的特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為國(guó)際最主要的膠原分析方法。

從基礎(chǔ)研究助推產(chǎn)業(yè)升級(jí)

膠原應(yīng)用非常廣，涵蓋了食品、藥品、醫(yī)療器械、生物材料、細(xì)胞培養(yǎng)等諸多領(lǐng)域。張貴鋒早就發(fā)現(xiàn)國(guó)際上膠原蛋白肽產(chǎn)品日益增多，2003年日本膠原蛋白肽產(chǎn)品年需求量?jī)H1200多噸，到2008年發(fā)展到近5000噸。我國(guó)膠原蛋白肽產(chǎn)品的市場(chǎng)容量每年以20%的速率增長(zhǎng)，且當(dāng)時(shí)我國(guó)產(chǎn)品在分子量范圍、生物利用度、味道和色澤等方面與國(guó)外產(chǎn)品存在很大差距，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴，每年數(shù)百億的銷售被國(guó)外公司帶走。為此，張貴鋒將注意力逐漸轉(zhuǎn)移到膠原蛋白肽產(chǎn)品制備工藝創(chuàng)新上。

國(guó)際上傳統(tǒng)膠原蛋白肽制備工藝簡(jiǎn)單描述為“一鍋法”，張貴鋒發(fā)現(xiàn)這種工藝中美拉德反應(yīng)難以抑制，“席夫堿”會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品顏色極深，腥味嚴(yán)重，蛋白質(zhì)隨機(jī)降解導(dǎo)致多肽分子量范圍難以控制。他利用膠原穩(wěn)定性研究基礎(chǔ)，研發(fā)出第二代膠原蛋白肽制備工藝，關(guān)鍵技術(shù)在海南等地方進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化。

在他看來(lái)，通過(guò)基礎(chǔ)研究助推工藝升級(jí)是一條必由之路。多年來(lái)，他將建立的膠原分析方法逐漸拓展至含膠原和明膠產(chǎn)品的質(zhì)量控制，同時(shí)在膠原基礎(chǔ)研究上大力突破，除了上述“膠原穩(wěn)定性”研究，體內(nèi)膠原含量及動(dòng)態(tài)變化、翻譯后修飾和生物大分子間相互作用等也是他的切入點(diǎn)。

舉個(gè)例子，張貴鋒研發(fā)的第三代制備工藝，就是看中了“脫酰胺過(guò)程是影響多肽生物活性的關(guān)鍵”，果然，升級(jí)后的第三代工藝使膠原蛋白肽呈現(xiàn)出多種生物活性狀態(tài)。面對(duì)人們對(duì)膠原蛋白肽認(rèn)識(shí)的差異，張貴鋒也開展了大量產(chǎn)品評(píng)價(jià)試驗(yàn)——包括膠原蛋白肽中精氨酸對(duì)微循環(huán)的影響、血漿中羥脯氨酸含量變化對(duì)金屬基質(zhì)蛋白酶活性的影響以及長(zhǎng)期服用膠原蛋白肽對(duì)不同類型膠原合成的影響等，以期這些多肽在非傳染慢性疾病防控方面發(fā)揮作用。至今，張貴鋒參加了2個(gè)國(guó)家原“863”項(xiàng)目，參與制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)助合作單位完成了6項(xiàng)科技成果鑒定或科技成果評(píng)價(jià)。

目前，我國(guó)膠原蛋白肽市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)6000噸，進(jìn)口產(chǎn)品在我國(guó)市場(chǎng)占有率大幅度降低，許多企業(yè)的產(chǎn)品出口到日本、美國(guó)、加拿大、泰國(guó)、馬來(lái)西亞等國(guó)家，對(duì)減少產(chǎn)品進(jìn)口和提升我國(guó)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力做出了貢獻(xiàn)。

瞄準(zhǔn)膠原行業(yè)更大的挑戰(zhàn)

“作為細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，膠原在人體內(nèi)幾乎無(wú)處不在，如在皮膚真皮層中含量高達(dá)70%，在角膜、軟骨、血管、跟腱等組織等也非常高，目前在人體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)了27種不同類型的膠原?！睆堎F鋒說(shuō)。

膠原合成和代謝變化都會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生巨大影響，如皺紋的產(chǎn)生、老年人身高的萎縮、牙齒和發(fā)質(zhì)的變化等。許多疾病與膠原合成或代謝異常密切相關(guān)，如Alport綜合征是因編碼Ⅳ型膠原一條鏈的基因突變所致，動(dòng)脈血管瘤與Ⅲ型膠原的表達(dá)異常有關(guān)，有些成骨不全病癥以及類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎是由于Ⅱ型膠原的表達(dá)或代謝異常所致。2019年4月，東京齒科大學(xué)的研究人員在Nature上發(fā)表了一項(xiàng)研究，XVII型膠原能夠干預(yù)表皮干細(xì)胞的良性競(jìng)爭(zhēng)，讓衰老細(xì)胞不斷更新從而保持肌膚的年輕狀態(tài)。

事實(shí)上，近年來(lái)，國(guó)際上膠原研究持續(xù)升溫，以膠原為主題進(jìn)行Web of Science檢索，1999年全球發(fā)表的論文約7200篇，2019年總數(shù)增至24800余篇，增長(zhǎng)了3倍多。同時(shí)，Johnson&Johnson、BD、Integra、Geistlich、Biocer、HB等公司膠原基生物材料種類繁多，產(chǎn)品在我國(guó)市場(chǎng)占有率也非常高。

在這樣的局面下，張貴鋒希望有更多人關(guān)注膠原研究。如今，他本人將研究目標(biāo)瞄準(zhǔn)了一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的方向——在分子層次上研究膠原動(dòng)態(tài)變化對(duì)生物大分子間相互作用的影響，包括膠原含量、類型和翻譯后修飾等纖維鏈接蛋白、生長(zhǎng)因子或細(xì)胞因子以及細(xì)胞增殖粘附等行為的影響。

在2019年11月底召開的第七屆膠原蛋白高峰論壇上，張貴鋒作為大會(huì)執(zhí)行主席再次發(fā)出了“加強(qiáng)膠原相關(guān)基礎(chǔ)研究”的呼吁，并指出要同時(shí)加強(qiáng)膠原（含脫細(xì)胞基質(zhì)）在泛細(xì)胞領(lǐng)域和皮膚管理中創(chuàng)新應(yīng)用?！案鶕?jù)國(guó)家醫(yī)療器械相關(guān)法規(guī)，動(dòng)物膠原只能做Ⅲ類醫(yī)療器械”，張貴鋒介紹，在這次論壇上，與會(huì)專家呼吁希望在風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下能把外用膠原基材料列入Ⅱ類醫(yī)療器械管理，為健康管理等提供基礎(chǔ)材料支撐。

“在干細(xì)胞、組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，膠原的應(yīng)用空間巨大，這將是我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展的重要機(jī)遇。”張貴鋒表示。這也將是他和同行專家們下一個(gè)階段要挑戰(zhàn)的重點(diǎn)。