由于膠原在人體組織中廣泛存在且在生理活動中發揮重要作用，因此膠原一直是基礎理論和應用研發的主要對象之一，在生物醫用材料和醫療器械產品方面尤為活躍。鑒于動物源膠原存在免疫原性和病毒傳播的風險，所以膠原及膠原基醫療器械始終是監管的重點對象。近幾年，利用生物合成技術制備的人源化膠原蛋白發展迅速，已成為具有良好發展前景的醫療器械新材料。

2019年，國家藥監局啟動中國藥品監管科學行動計劃，醫療器械新材料監管科學研究位列首批啟動項目之一。動物源膠原、人源化膠原均屬于醫療器械新材料監管科學研究范疇，目前針對膠原理化性能表征、生物安全性評價等各項研究正在有序推進、逐步完善。其中，動物源膠原的監管重點除了常規的生物安全性評價以外，著重完善免疫原性及病毒傳播風險的監管；而人源化膠原蛋白在免疫和病毒方面具備優勢，因此其監管重點偏向于理化表征和生物安全性等方面。

人源化膠原研究成果突出

鑒于天然膠原在人體組織中的重要作用，科研人員長期致力于獲取高純度且保留主要天然特征的膠原，仿生構建具有天然細胞外基質組成和結構特征的膠原基產品，用于基礎科學研究和臨床實踐應用。概括而言，目前主要有兩種途徑和方法獲取膠原，分別是以人體或動物組織為原料的組織提取技術，以及利用基因重組技術并通過發酵等方法制備的生物合成技術。

動物源膠原的研究歷史相對較長，提取、純化工藝相對成熟穩定，近幾年更多的是在優化工藝以達到性能穩定和風險控制之間的平衡。相對來說，近幾年生物合成技術制備的重組膠原蛋白取得明顯進步，人源化膠原的篩選與制備是其中較為突出的成果之一。

由于人源化膠原要求與人膠原或其片段完全相同的氨基酸組成與序列，同時能進一步形成二級結構。因此，如何分析并篩選獲得人膠原中的目標功能區成為了人源化膠原研發的首要關鍵環節。進一步地，對該目標功能區進行蛋白結構解析也是認識并掌握其生物功能的基礎條件。在確定人膠原目標功能區以后，還需要對基因重組過程進行優化，提高基因轉錄和蛋白表達率，獲得優選的基因重組菌種并構建適宜的發酵培養工藝體系。最后，還需要擴大發酵培養工藝，特別是實現去除內毒素、宿主蛋白等針對目標蛋白的純化手段與工藝優化，最終獲得高純度、高穩定性的人源化膠原蛋白產品。由此可見，人源化膠原的研發不同于動物源膠原的提取、純化，需要多個不同行業研究人員共同參與，涉及理論計算、基因轉錄、生物發酵、蛋白純化以及生物制劑工程化等不同專業技術領域，這可能也是限制人源化膠原快速發展的主要原因之一，也是醫療器械新材料監管科學研究需要考慮的具體內容和難點。

目前，國內外都在積極開展膠原及各種活性仿生多肽的研發工作，在人源化膠原研究方面，國內已取得突破性進展，居于世界領先水平。山西錦波生物醫藥有限公司聯合復旦大學、中科院生物物理所等多家科研機構，潛心十余年，篩選出人III型膠原的核心功能區并進行高分辨率的蛋白結構解析，培育轉基因菌種并實現人源化膠原的產業化。由于膠原基醫療器械產品是針對具體的臨床問題展開基礎理論和臨床應用的研究，所以涉及面廣泛且專業性較強，截至目前，僅有人源化III膠原蛋白植入劑進入產品申報階段（創新醫療器械特別審查申請審查結果公告2020年第18號）。

與此同時，利用人源化III型膠原已開展了系列醫療器械的應用基礎研究，如用于光老化皮膚的改善與修復，注射到大鼠真皮層后，可以提高光老化皮膚中膠原含量，使皮膚彈性明顯優于光老化組與正常老化組，綜合狀況得到顯著提高；用于婦科陰道黏膜損傷與萎縮修復，使黏膜增厚、絨毛化狀態與臨床治療組相近，陰道組織中I型和III型膠原含量明顯增加；用于血管支架涂層，結果顯示涂層支架表面抗凝血性能優異，可以顯著抑制內膜增生及再狹窄，同時可有效促進支架表面沿血流方向的內皮化；用于改性心臟瓣膜材料的促內皮性能優異，具有穩定的長效抗血栓形成能力。

膠原被廣泛用于醫療器械研發

據不完全統計，膠原可被加工成海綿、膜、水凝膠等形式，用于骨、軟骨、韌帶、角膜、心血管、皮膚等幾乎涉及人體各個組織的相關研究與開發中，且在有些方面已取得較為顯著的成果，如我國第一個組織工程產品——人工皮膚中的主要成分就是牛膠原蛋白。近些年，膠原敷料、膠原海綿、膠原膜、膠原凝膠等膠原基醫療器械獲得產品注冊證，用于創面覆蓋、止血和非承力軟硬組織的修復再生等。另外，以膠原為主要原料制備的注射植入劑在醫療美容領域也有良好的應用效果，如以牛膠原蛋白或豬膠原蛋白為主的面部真皮組織和鼻唇溝充填劑、含聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球體和牛膠原蛋白的皮下植入物系統等。

隨著研究的逐步深入，膠原及膠原蛋白產業具有廣闊的發展空間。據美國Grand View Research機構的調查數據，2019年全球膠原蛋白行業規模約為153.56億美元，2027年預計能達到226.22億美元；其中，醫療健康領域的膠原蛋白行業規模在2019年為76.04億美元，預計2027年能達到111.17億美元，約占總市場的一半。膠原蛋白在醫療健康領域中的應用是未來市場增長的主要驅動力，年均復合增長率為5.4%左右。數據同時顯示，我國膠原蛋白市場在全球范圍內所占的份額較小，約為6.40%，但年均復合增長率達到6.54%，表現出良好的增長態勢和發展空間。

人源化膠原醫療器械大有可為

概括而言，利用生物合成技術制備的人源化膠原與動物源膠原相比具有以下幾方面的明顯優勢：由于人源化膠原的氨基酸組成與序列與人膠原片段完全一致，因此在現有的知識水平內，人源化膠原沒有傳播病毒與免疫原性的風險，具有極好的安全性；人源化膠原是篩選自人膠原特定片段的功能區，因此具有較為明確的材料-細胞相互作用和特定的功能性，能夠進一步影響細胞行為及細胞外基質的重構；人源化膠原可以基于人膠原的核心功能區進行特定的設計與組合，通過功能區的組合定制，進一步提高材料的功能性和組織修復重建的能力；人源化膠原可以彌補自然豐度較低但又具有特定功能的某些人膠原難以提取、純化的不足，如V型、XVII型膠原等。

盡管生物合成技術制備人源化膠原具有多方面優勢，但還需要克服一些難點才可以更好的開發出基于人源化膠原的醫療器械產品，如現有的重組技術還不能獲得含有羥化氨基酸的膠原，獲得的人源化膠原在體內的轉歸尚不十分明確等。在進一步完善人源化膠原的長期安全性評價和功能性驗證的情況下，人源化膠原有望取代大部分現有的動物源膠原產品，基于人源化膠原的國產醫療器械產品也有望于國際率先進入市場。（作者單位：國家生物醫學材料工程技術研究中心，四川大學生物材料工程研究中心）

相關鏈接：膠原制備技術及優缺點

組織提取技術：該技術主要是以膠原豐度較高的人體、動物組織為原料，綜合利用物理、化學、生物等技術去除天然組織中的毛發、脂肪、肌肉等成分，提取并進一步純化獲取特定類型的膠原。以人體組織為原料的組織提取技術，主要包括以嬰幼兒包皮為原料提取人I型膠原，采用人胎盤提取人I型、III型、IV型和V型膠原。由于艾滋病、肝炎等疾病傳染性強，甚至可以突破母嬰屏障，所以，以人體組織為原料制備的醫療器械可能存在傳播疾病的風險；同時，鑒于人體組織來源有限，以及倫理方面的考慮，較少有采用其他人體組織進行膠原提取并制備膠原基醫療器械產品的研究。以牛、豬、禽類、鼠和海洋生物等動物組織為原料提取膠原具有工藝成熟、價廉易得等優勢，因此動物源膠原也是目前膠原基醫療器械產品的主流，其中絕大多數是以牛和豬的皮膚、肌腱等原料提取的膠原。但是，動物源膠原也存在一定的技術瓶頸和質量風險。一方面是動物攜帶的一些病毒、細菌可能會引起人的重大疾病，如牛海綿狀腦病，即瘋牛病（BSA）等傳染性海綿狀腦病病毒潛伏周期長，且暫無有效的活體檢驗、監測和治療方法，而膠原獨特的組成與結構對于溫度、射線、化學因素都較為敏感，且因為分子量較大、黏度較高而不便于過濾滅菌，因此，動物源膠原病毒和傳染性因子的風險管控成為植入醫療器械研發與轉化過程中需要嚴肅面對且合理解決的重要課題。

另一方面的質量風險在于免疫原性。由于膠原屬于大分子蛋白質，存在非螺旋端肽且結構復雜，分子側鏈上連接糖蛋白等原因，制備動物源膠原需在工藝過程中采取相應措施對具有潛在免疫原性的物質（如核酸、蛋白、多糖、脂質和其他小分子物質等）進行去除或對其抗原表位進行消除，而這些降低免疫原性的手段和方法可能會影響膠原的組成或結構，進而犧牲其作為生物醫用材料的性能或增加新的風險，因此如何有效降低動物源膠原的免疫原性并最大程度地保留其優勢性能，成為組織提取技術的工藝重點和難點，也成為醫療器械監管的關鍵點之一。

生物合成技術：該技術的核心內容是利用轉基因技術將膠原或類膠原的基因轉錄到酵母、大腸桿菌等載體，從而表達相應的蛋白并進一步純化獲取膠原或類膠原片段。該技術的最大優勢在于可以人為篩選或設計特定的基因片段，進而獲得具有特定氨基酸組成和序列的蛋白質產物。目前，國內市場有以下三類采用該技術生產的膠原蛋白產品：一類是制備的蛋白符合天然膠原的部分特征，如Gly-X-Y的重復結構，但其序列與天然膠原蛋白片段的序列不完全一致，這一類蛋白可以統稱為類膠原蛋白；第二類是氨基酸序列與人天然膠原蛋白或其片段不完全一致，或包含的人天然膠原蛋白片段無特異性功能（通常小于20個氨基酸），或含有非人天然膠原蛋白的序列，這一類蛋白稱為非人源化膠原蛋白；還有一類是氨基酸序列與人天然膠原蛋白或其片段（通常不小于20個氨基酸）完全一致，或是上述功能片段的組合，不應含有非人天然膠原蛋白的序列片段，這一類蛋白可以稱為人源化膠原蛋白。簡而言之，前兩類是借鑒天然膠原組成特征而“發明”的一種蛋白質，在自然中是不存在的，而第三類是基于人天然膠原功能片段的“發現”進而人為合成制備的，是人體組織膠原中的一部分。因此，基于現有的科技認知水平，理論上以人為“發明”的類膠原或非人源化膠原為基礎構建的植入器械還是可能存在引起各種副作用的風險，而基于“發現”而制備的人源化膠原則具有更好的安全性。

當然，利用生物合成技術制備的重組膠原蛋白也還存在一些問題和不足。由于轉錄的基因都需要通過酵母或細胞宿主進行蛋白表達，而這些宿主自身也會表達各種蛋白，所以通過生物合成技術獲得的蛋白需要經過針對性且高效率的純化才可以獲取目標蛋白，這也成為重組膠原蛋白制備的技術關鍵之一。另外，由于目前表達較為高效的載體通常為酵母或大腸桿菌，而這些載體的蛋白表達能力與哺乳動物還是有所差異，其中較為明顯的一點就是不能直接表達羥脯氨酸和羥賴氨酸。由于這兩種氨基酸對于膠原的結構穩定性有重要影響，甚至參與膠原與細胞的相互作用，與人體的某些生理活動有一定的關聯，因此目前的重組膠原蛋白還有一定的局限性，還不能完全復制天然膠原并替代其全部功能。