专业研究胶原 服务健康产业——记中国科学院过程工程研究所研究员张贵锋

孙欣欣

胶原蛋白是一个既古老又现代的话题。人们曾经从7500万年前的恐龙化石中检测出胶原纤维；公元前4000年古埃及人开始用动物皮制胶，我国西汉以前开始利用动物皮熬制中药；1935年人们初步确定了胶原的三螺旋结构，1945年后欧洲出现水解胶原产品，1980年后胶原蛋白肽吸收和功效的研究日益增多。到了21世纪，生物材料蓬勃发展，胶原逐渐被用于组织工程和组织医学，又渐渐拓展至干细胞转化、细胞培养、药物控释和医美等领域。在我国，胶原材料已经被列入国家重点研发计划和重点专项。

面向行业需求重点攻关

张贵锋进入胶原领域是从研究阿胶质量控制方法开始的。

真伪鉴别一直是阿胶行业面临的难题。2001年，张贵锋所在团队承担了阿胶企业委托的真伪鉴别课题，他认真研究了以往文献，发现其中多以阿胶中低丰度物质为研究对象，从整体上考察不同动物胶的宏观性质，方法缺乏针对性且难以消除制胶工艺对阿胶的影响。经过多次现场考察并分析动物皮肤降解过程，他发现了生产过程中的关键步骤以及驴皮成分的动态变化，确定了以阿胶中含量最高的胶原降解物作为研究对象。但随后又发现，阿胶中的胶原降解物属于分子量高度分散、等电点接近、亲疏水性相似的多肽混合物——当“不同动物来源的阿胶怎么分析都一致”，要鉴别清楚其动物来源谈何容易！

关键时刻，爱因斯坦的一句经典名言点醒了张贵锋：“我们面对的重大问题永远不能在产生问题本身的层次上被解决。”他开始尝试跳出固有思路，不再执着于阿胶组成分析，而是转向不同动物胶原的序列差异。“既然阿胶是驴皮降解物，驴皮中主要是胶原，不同动物胶原的氨基酸序列存在差异。在序列上比较这些差异就可能获得胶原的动物来源。”他想到。

为了打开思路，张贵锋先后到美国学习质谱、到日本学习多肽序列解析、到杭州参加蛋白质组学特训班，终于在2005年建立了胶原的动物溯源方法。在这之前，国际上缺乏胶原类型识别和动物溯源的方法，捷克科学家Z.Deyl研发的基于CNBr裂解的方法由于使用剧毒试剂且对分离方法依赖性较高，该方法始终未获得大规模推广。

张贵锋的目标当然还是落在推广上。胶原的动物溯源方法建成之后，他从全国30多家企业收集了丰富的阿胶样品，对该方法进行完善，确立起基于特征多肽的阿胶真伪鉴别方法雏形。他的研究得到了中国药品生物制品鉴定研究院中药研究所的认可，并对其研究方法加以简化，简化后的方法2012年成为我国《药典》补充检测方法，后又被正式列入《药典》。至此，阿胶成为我国第一个基于特征多肽进行真伪鉴别的品种。张贵锋也因此先后获得中国分析测试协会优秀青年、山东省科技进步奖和中国仪器仪表学会科技创新奖等荣誉。但最令他欣慰的是，基于特征多肽的类型识别和动物溯源方法，由于理论依据明确、针对性强且兼具定性和定量的特点，目前已经成为国际最主要的胶原分析方法。

从基础研究助推产业升级

胶原应用非常广，涵盖了食品、药品、医疗器械、生物材料、细胞培养等诸多领域。张贵锋早就发现国际上胶原蛋白肽产品日益增多，2003年日本胶原蛋白肽产品年需求量仅1200多吨，到2008年发展到近5000吨。我国胶原蛋白肽产品的市场容量每年以20%的速率增长，且当时我国产品在分子量范围、生物利用度、味道和色泽等方面与国外产品存在很大差距，进口产品价格昂贵，每年数百亿的销售被国外公司带走。为此，张贵锋将注意力逐渐转移到胶原蛋白肽产品制备工艺创新上。

国际上传统胶原蛋白肽制备工艺简单描述为“一锅法”，张贵锋发现这种工艺中美拉德反应难以抑制，“席夫碱”会导致产品颜色极深，腥味严重，蛋白质随机降解导致多肽分子量范围难以控制。他利用胶原稳定性研究基础，研发出第二代胶原蛋白肽制备工艺，关键技术在海南等地方进行了产业化。

在他看来，通过基础研究助推工艺升级是一条必由之路。多年来，他将建立的胶原分析方法逐渐拓展至含胶原和明胶产品的质量控制，同时在胶原基础研究上大力突破，除了上述“胶原稳定性”研究，体内胶原含量及动态变化、翻译后修饰和生物大分子间相互作用等也是他的切入点。

举个例子，张贵锋研发的第三代制备工艺，就是看中了“脱酰胺过程是影响多肽生物活性的关键”，果然，升级后的第三代工艺使胶原蛋白肽呈现出多种生物活性状态。面对人们对胶原蛋白肽认识的差异，张贵锋也开展了大量产品评价试验——包括胶原蛋白肽中精氨酸对微循环的影响、血浆中羟脯氨酸含量变化对金属基质蛋白酶活性的影响以及长期服用胶原蛋白肽对不同类型胶原合成的影响等，以期这些多肽在非传染慢性疾病防控方面发挥作用。至今，张贵锋参加了2个国家原“863”项目，参与制定了行业标准和国家标准，协助合作单位完成了6项科技成果鉴定或科技成果评价。

目前，我国胶原蛋白肽市场规模已经超过6000吨，进口产品在我国市场占有率大幅度降低，许多企业的产品出口到日本、美国、加拿大、泰国、马来西亚等国家，对减少产品进口和提升我国产品的国际竞争力做出了贡献。

瞄准胶原行业更大的挑战

“作为细胞外基质的主要成分，胶原在人体内几乎无处不在，如在皮肤真皮层中含量高达70%，在角膜、软骨、血管、跟腱等组织等也非常高，目前在人体内已发现了27种不同类型的胶原。”张贵锋说。

胶原合成和代谢变化都会对人体产生巨大影响，如皱纹的产生、老年人身高的萎缩、牙齿和发质的变化等。许多疾病与胶原合成或代谢异常密切相关，如Alport综合征是因编码Ⅳ型胶原一条链的基因突变所致，动脉血管瘤与Ⅲ型胶原的表达异常有关，有些成骨不全病症以及类风湿关节炎是由于Ⅱ型胶原的表达或代谢异常所致。2019年4月，东京齿科大学的研究人员在Nature上发表了一项研究，XVII型胶原能够干预表皮干细胞的良性竞争，让衰老细胞不断更新从而保持肌肤的年轻状态。

事实上，近年来，国际上胶原研究持续升温，以胶原为主题进行Web of Science检索，1999年全球发表的论文约7200篇，2019年总数增至24800余篇，增长了3倍多。同时，Johnson&Johnson、BD、Integra、Geistlich、Biocer、HB等公司胶原基生物材料种类繁多，产品在我国市场占有率也非常高。

在这样的局面下，张贵锋希望有更多人关注胶原研究。如今，他本人将研究目标瞄准了一个更具挑战性的方向——在分子层次上研究胶原动态变化对生物大分子间相互作用的影响，包括胶原含量、类型和翻译后修饰等纤维链接蛋白、生长因子或细胞因子以及细胞增殖粘附等行为的影响。

在2019年11月底召开的第七届胶原蛋白高峰论坛上，张贵锋作为大会执行主席再次发出了“加强胶原相关基础研究”的呼吁，并指出要同时加强胶原（含脱细胞基质）在泛细胞领域和皮肤管理中创新应用。“根据国家医疗器械相关法规，动物胶原只能做Ⅲ类医疗器械”，张贵锋介绍，在这次论坛上，与会专家呼吁希望在风险可控的前提下能把外用胶原基材料列入Ⅱ类医疗器械管理，为健康管理等提供基础材料支撑。

“在干细胞、组织工程和再生医学领域，胶原的应用空间巨大，这将是我国相关产业跨越发展的重要机遇。”张贵锋表示。这也将是他和同行专家们下一个阶段要挑战的重点。