女媧造人

傳說中,在一片混沌之際,先有盤古開天闢地,後有女媧捏土造人,於是人類就此誕生。而微妙的人體到底有什麼可愛之處,在我們踏入膠原蛋白(collagen)的世界之前,就先來了解一下膠原蛋白到底存在於我們身體的那一部位,讓我們照著藏寶圖一步步挖掘我們想要的寶藏。

構成人體最基本的結構和功能的單位,其實就是細胞,存在於細胞與細胞之間的就是細胞外間質。細胞外間質是由細胞本身所產生的,是一種不具有任何細胞形態和結構的物質,它包括:

結構性成分
:如蛋白質纖維(如膠原蛋白就是一例)、結晶性的無機礦物等。

細胞附著因子:其組成以醣蛋白類為主。

纖維間基質:為填充於纖維之間的「果凍狀」物質。因此細胞外間質就對細胞提供了保護、固定、連結和營養的作用,並且逐一地構成細胞能賴以生存的環境。

眾多形態相似及功能相近的細胞,經由細胞外間質組合成的群體就叫做組織。依照其中細胞種類的不同而分為不同的組織,一般來說大致上將之歸納為四類基本組織,即上皮組織、結締組織、肌組織和神經組織。首先簡單介紹不同組織的特色:

上皮組織:由密集的上皮細胞及少量細胞外間質所構成,其最大的特色就是在上皮組織內無血管分布,所以其營養物是藉由深層的結締組織裡的血管所供應,上皮組織在人體之中具有保護、吸收、分泌和排泄等在物質傳遞上的功能。

結締組織:恰與上皮組織構成的機構相反,結締組織是由大量的細胞外間質與散落在其中的細胞所 組成,細胞外間質包含基質、纖維和組織液等,而膠原蛋白正是動物結締組織中最主要的蛋白質,同時亦為細胞外間質裡最重要的成分,在動物的結締組織中,一般 除了含有大約 60 ~ 70% 的水分之外,還包含了約 20 ~ 30% 的膠原蛋白,也因此膠原蛋白是廣泛存在於動物細胞內的一種蛋白質。結締組織在人體內的分布廣泛,幾乎遍佈所有器官。

肌組織:由肌細胞或稱肌纖維所組成,按照其存在部位、結構和功能的不同,可分為橫紋骨骼肌、平滑肌和心肌三種。

神經組織:由神經細胞(神經元)和神經膠質所組成,也是人體內起主導作用的系統。內、外環境的各種資訊,經由感受器接受後,通過周圍神經傳遞到腦和脊髓的各級中樞進行整合,再經周圍神經控制和調節各系統器官的活動,以維持與內、外界環境的相對平衡。

膠原蛋白又稱為膠原質,主要是以不溶纖維形式存在於動物體內,為脊椎動物體內含量最豐富的蛋白質,約占了體內總蛋白質的 25%。換言之,膠原蛋白就占了蛋白質的四分之一,主要皆分布在人體內的結締組織中,是結締組織中非常重要的一種結構性蛋白質。它扮演著有如「床墊」及 「水泥」的角色,能保護並連結各種組織,以支持人體的結構。


膠原蛋白的結構與特性


膠原蛋白(collagen)結構示意。 膠原蛋白(collagen)結構示意。

膠原蛋白的結構類似繩索,由無數根膠原纖維束所組合而成。膠原蛋白最基本的單位為原膠原,是由三條多胜肽(polypeptides)鏈所組成的,而此三條多胜肽鏈則以平行及鏈間的氫鍵緊密地結合在一起,形成穩定的三股螺旋結構。由多個原膠原聚集成膠原分子,而平行排列的膠原分子形成束形的膠原蛋白微纖 維,膠原蛋白微纖維再糾集成較大的纖維束。

由於每一條多胜肽鏈(稱為 alpha 鏈)的組成相似,但不一定完全相同,所組成的膠原蛋白形式也不相同,有由三條完全相同的 alpha 鏈所組成的(如第二型),也有由完全不相同的 alpha 鏈所組成的(如第四型)。到目前為止,已發現的動物膠原蛋白可分成 21 種型式,依著組織的不同而有不同的膠原蛋白,其中以第一型膠原蛋白的含量最多,約占全部膠原蛋白含量的 90%,也是用途最廣的膠原蛋白。

膠原蛋白的分子量約為 283,000 道爾頓(daltons),長約 280 奈米,直徑 1.5 奈米,具有特別的機械性質,例如具有方向性的膠原蛋白纖維抗拉強度可高達 5 ~ 10 公斤/毫米平方(kg/mm2),因此提供結締組織所需的張力、拉力強度等。在生化性質方面,它可促使血小板凝集而催化血塊的形成,另外膠原蛋白的功用包括可控制分子通透、促進傷口癒合與組織修復、調控細胞與組織的生理功能等

膠原蛋白的生產

目前製造膠原蛋白原料的主要方式,是取自動物的皮膚及肌腱組織,把它磨碎之後,加入酸中溶解以去除雜質,並以酵素分解組織纖維,使膠原蛋白完全懸浮於溶液中,再從其中萃取純膠原蛋白,之後再控溫控壓恢復膠原蛋白的纖維組織。

以上方法的原料來源豐富且價格便宜,利用酵素可製備不同分子量的膠原蛋白,而改變膠原蛋白的溶解性,因此普遍應用於膠原蛋白的製備,然而由於萃取 的產物純度不高,容易引起發炎反應。此外,近幾年來隨著狂牛症及人類變種 Creutzfeldt-Jakob 疾病的出現,社會大眾開始擔心由牛隻取得的膠原蛋白可能會受到以上病症的污染,為降低發炎反應及蛋白質病毒污染的可能性,美國已有公司使用基因轉殖動物如 老鼠及乳牛等,由乳腺來生產膠原蛋白。

膠原蛋白在醫學上的應用

膠原蛋白具有許多優異的特性,使其在醫學上可做廣泛的應用,且效果非常良好,其中最主要的應用領域是生醫材料。所謂生醫材料是將材料科學與生物醫學結合, 研究並製造出用以取代人體器官或組織功能的器材,如人工血管、氣管、皮膚等。由於膠原蛋白是人體組織的主要成分,因此在人體器官組織的修復及再生上扮演著 重要的角色,使得膠原蛋白成為一種理想的高分子生醫材料。

膠原蛋白經適當交聯後又可以做為支架,在植入細胞或生長因子後,可發展為組織工程類的產品,例如在軟骨的組織工程上常以第二型膠原蛋白做為支架, 希望能誘使軟骨細胞自己製造出第二型膠原蛋白,以維持軟骨正常的功能。除此之外,第一型膠原蛋白也應用在人工血管及硬骨的改質上,其道理就像飯店一樣,老 闆會將飯店打造成五星級讓客人有賓至如歸的感覺,這樣客人就可以輕鬆地做一些自己的事了,軟骨的組織工程也就是利用這種道理,用第二型膠原蛋白來打造軟骨 細胞的五星級飯店。

膠原蛋白也常用於創傷被覆材上,當我們的皮膚受到外力而損傷時,就需要一些保護材來代替皮膚,以防護身體免遭受到外物的入侵,所以創傷覆材也是現 在很熱門的生醫材料。目前所開發的被覆材大部分都只用於表皮上的創傷,對於較深層的創傷就沒有顯著的功效,因此就有研究利用膠原蛋白或是葡萄糖胺聚合醣 (Glycosaminoglycans, GAGs)為主體做為被覆材,以類似細胞外間質的架構來對較深層的創傷進行修復。

而人工皮膚也常運用類似的方法來對材料做些表面改質,使人工皮膚具較好的生物相容性。故類似像膠原蛋白這類的生體高分子化合物在用途上就非常的廣泛,無論 是在製藥、化工、生醫工業上,各形各樣的產品也都在持續開發及研究中。而許多的醫學中心也積極地投入膠原蛋白在各種用途上的臨床實驗,目前在應用大致可以 依用途來區分。

資料來源:《科學發展》2003年2月,362期,44~47頁
作者:黃彥富 / 中興大學化學工程學系、湯正明 / 中興大學化學工程學系、徐善慧 / 中興大學化學工程學

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