动物胶原纤维

一、胶原纤维研究 胶原纤维是人体各种器官（如骨、肌肉）中关键的组成成分之一。胶原纤维拥有复杂的微纳生物结构，这种结构的有序排列使胶原纤维能够表现出优异的生理性能，同时，这种结构的改变会导致其生理特征的急剧变化。劳损、骨折等常见疾病的发病机理就与胶原微纳结构变化密切相关。如何观测并理解胶原纤维微纳尺度的结构变化是治疗相关胶原类疾病的关键所在。 近日，中国科学院物理研究所陈佳宁课题组利用散射式近场扫描显微镜（IR-neaSCOPE）对胶原纤维进行纳米分辨率红外扫描成像。该研究通过在组织切片表面近场测量紧凑排布的胶原纤维簇，对胶原纤维的纳米周期性横纹结构进行量化分析，并观察到胶原纤维发生的横纹倾斜现象。该研究借助胶原晶格模型解释其现象的产生机理，揭示了胶原纤维内部分子间可能存在的滑移位错形变。 该结果有助于人们理解胶原结构失序时胶原纤维可能发生的纳米结构变化，为解读胶原类疾病的发病机理提供了新思路。同时，该工作展示了s-SNOM在生命科学中对于生物微纳尺度结构研究的广阔应用前景。相关结果发表在近期的《Nano Research》上。该工作得到了重点研发计划、自然科学基金，中国科学院战略重点研究计划的资助。 二、生物催化（MOF体系）研究 生物催化转化在生物体中，如多酶催化联，在不同的细胞膜区隔的细胞器中高效率地进行。然而，在自然系统中模拟生物催化联过程仍然具有挑战性。 近日，华东师范大学李丽老师课题组报道了多壳金属有机骨架（MOF）可以作为一种层次化的支架，在纳米尺度上对酶进行空间组织，以提高联催化效率。 研究人员通过外延逐壳过生长的方法将多壳MOF包裹在多酶上，其催化效率是溶液中游离酶的5.8~13.5倍。重要的是，多壳MOF可以作为一个多空间隔室的纳米反应器，允许在一个MOF纳米颗粒中物理分隔多个酶，以便在一个锅中进行不相容的串联生物催化反应。研究人员使用纳米傅立叶变换红外光谱(Nano-FTIR)来解决与多壳MOF中的酶相关的纳米振动活性的不均一性。多壳MOF能够根据特定的串联反应路线方便地控制多酶的位置，其中载酶1和载酶2的壳沿内到外壳的紧密定位可以有效地促进质量传递，从而促进高效的串联生物催化反应。 这项工作有望为设计高效的多酶催化联反应提供新的思路，以鼓励其在许多化工和制药工业过程中的应用。 三、原位液相活体细胞研究 近日，德国attocube systems AG的工程师Korbinian联合德国慕尼黑大学Fritz Keilmann课题组报道了基于散射型纳米红外成像与光谱技术在液相环境关于纳米颗粒和活体细胞的定量研究。纳米红外光谱与成像的液相探测基于一个由10 nm厚度的SiN薄膜和金属液相池组成，通过扫描探针在针形成有效的红外探测近场对吸附（浸润）在SiN另一侧的纳米颗粒或活体细胞进行原位液相扫描。 液相原位纳米红外成像与光谱下的A 549癌细胞 这项工作是基于反射式光路的散射型扫描近场显微镜（s-SNOM）和nano-FTIR建立的原位液相样品池，通过搭配波长可调谐的红外激光器，有希望拓展从近红外（特别是近红外II区）到中红外（全指纹区覆盖）乃至远红外的全红外波段的液相环境下材料和细胞的纳米尺度探测。

在过去的十年里，红外（IR）光谱已被广泛应用于哺乳动物组织中的胶原蛋白研究。对有序胶原蛋白光谱的更好理解将有助于评估受损胶原蛋白和疤痕组织等疾病。因此，利用偏振红外光研究胶原蛋白（I型胶原和II型胶原）的层状结构和径向对称性逐渐成为研究热点。目前，基于焦平面阵列检测器的偏振远场（FF）傅立叶变换红外（FTIR）成像、偏振远场（FF）、光学光热红外（O-PTIR）以及散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的纳米红外技术在胶原蛋白领域得到广泛应用。偏振远场（FF）方法可应用于完整肌腱的截面，其纤维平行且垂直于偏振光排列。光学光热IR红外（O-PTIR）和纳米傅立叶变换红外（nano-FTIR）方法则应用于直径为100~500 nm的原纤维，在生物聚合物上共同实现互相印证和互补的结果。 通常，I型胶原蛋白在偏振红外光下反应不同。采用基于焦平面阵列（FPA）检测的远场傅里叶变换IR（FF-FTIR）对其进行成像时，受制于蛋白质酰胺I和II的红外特征峰吸收带的波长（~7 μm）的分辨率限，难以获取高质量的成像结果。而采用散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）方法的纳米FTIR（nano-FTIR）光谱技术，可以获得空间分辨率约为20nm的红外光谱，解决了受限于IR辐射波长的限制（通常5-10 μm）。此外，采用光学光热红外技术（O-PTIR）成像和光谱学的方法，也可以摆脱红外波长的限制，实现亚微米（500nm）的空间分辨率，为完整组织和原纤维胶原蛋白的研究打开了一个新窗口。 近期，在Kathleen M. Gough等人的研究中[1]，作者采用基于光学光热红外（O-PTIR）技术的PSC非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统 mIRage对样品～500 nm单点区域收集振动光谱，如图1所示。该光学光热红外（O-PTIR）技术的工作原理是光热检测，其中红外量子联激光器（QCL）激发样品在1800–800 cm-1光谱范围内的分子振动。产生的光热效应通过短波长探测激光器检测。图2A-B中的光谱表明，固有的激光偏振所获得的高对比度所产生的光谱与使用FTIR焦平面阵列和偏振器组合进行的光谱测试近乎一致。并且对于安装在玻璃显微镜的不同载玻片，样品均获得了具有良好SNR的高质量光谱。图1. 完整肌腱的光学光热IR（O-PTIR）光谱，?500 nm测量点。（A）利用线性偏振量子联激光器（QCL）从CaF2窗口在平行和垂直两个不同方向上获得光谱。插入的可视图像显示了6个采谱位置；比例尺= 70 μm。（B）对比从CaF2（部）和玻璃（底部）载玻片在线性偏振QCL的平行和垂直方向上获得的光谱。 光学光热红外（O-PTIR）技术可以通过在载物台上轻易地旋转样品来测试平行和垂直于红外激光偏振方向的光谱。并利用光学光热红外（O-PTIR）技术在几个单一频率下对原纤维成像，以获得表观物理宽度的确定性估计。如图2右侧所示，在垂直方向上， 1655 cm-1处记录的单波长图像的红黄带表明该原纤维的宽度不超过500 nm。该尺寸将目标物标定为真正的原纤维，并且可与红外s-SNOM实验中检测到的300 nm原纤维相当。光学光热红外（O-PTIR）技术与nano-FTIR的测试结果相互印证，反映了“原纤维”宽度的标准范围。此外作者观察到，来自原纤维的酰胺I和II谱带比完整肌腱的窄，并且相对强度和谱带形状都发生了变化。这些光谱反映出在偏振红外光下正常I型胶原纤维的更多有用信息，并可作为研究胶原组织的基准。图2. 从CaF2窗口利用O-PTIR测试控制肌腱原纤维获得的光谱。用平行于激光偏振的原纤维获得的光谱（红色）；蓝色是垂直方向上的光谱。右侧是在垂直方向基于1655 cm-1的单波长图像。正方形表示光谱采集位置。比例尺= 1 μm。 与基于焦平面阵列检测器的偏振远场傅立叶变换红外（FF-FTIR）光谱相比，光学光热红外（O-PTIR）具有更高的空间分辨率，且可提供单波长光谱。使用FF-FTIR FPA探测往往包括其他非胶原材料。同时，光学光热红外（O-PTIR）还可以提供偏振平行于原纤维取向的原纤维光谱。这也是光学光热红外（O-PTIR）和纳米FTIR光谱对直径为100~500 nm的胶原原纤维给出证实性和互补性结果的次证明。综上所述，这些结果为进一步研究生物样品中的胶原蛋白提供了广阔的基础。 参考文献：[1]. Gorkem Bakir, Benoit E. Girouard, Richard Wiens, Stefan Mastel, Eoghan Dillon, Mustafa Kansiz, Kathleen M. Gough, Molecules 2020, 25, 4295 doi:10.3390/molecules25184295.

胶原蛋白行业在国外已有数十年的历史，国内，这个行业也正在兴起，其中不乏众多上市公司的身影。然而，一些非专门研究胶原蛋白的人士却对其功效提出质疑。近日，针对胶原蛋白而起的一系列风波，不仅相关行业上市公司纷纷发布公告或通过投资者关系平台解答，中国保健协会更是高度重视，他们组织多名对胶原蛋白有研究的专家学者，在北京召开专门研讨会，从胶原蛋白概念、分子结构、来源以及用途等多个方面，对胶原蛋白到底对人体有什么作用?有没有实验支持等多个角度，深入分析探讨胶原蛋白。记者整理专家发言录音，为读者揭开胶原蛋白&ldquo 神秘面纱&rdquo 。 　　某些正规产品俗称的胶原蛋白实为胶原蛋白肽 　　专家们提出，其实，市面上一些上市公司出售的正规胶原蛋白产品，实质上应该叫做胶原蛋白肽。之所以被俗称为胶原蛋白，缘于一般老百姓对&ldquo 肽&rdquo 是什么很陌生，所以许多厂家为了便于产品被理解，笼统地称作胶原蛋白。这才使得一些对胶原蛋白行业没有研究的外界人士发出了&ldquo 蛋白质到消化过程中都要变为氨基酸，所以胶原蛋白无用&rdquo 的说法。 　　为了便于老百姓了解，中国海洋大学食品科学与工程学院李八方对胶原蛋白和胶原蛋白肽做了详细的阐述。 　　已有的科学研究表明：胶原蛋白(collagen)是一种生物性高分子物质，是一种白色、不透明、无支链的纤维性蛋白质。它是动物结缔组织重要的蛋白质，主要是在于皮肤、肌肉、骨骼、牙齿、内脏、血管和眼球等部位。因为有了胶原蛋白的存在，结缔组织才具有了一定的结构与机械力学性质，如张力、拉力、弹力等，以达到支撑、保护功能。随着年龄的增长，人体中胶原蛋白的结构在不断发生变化，新生成的胶原蛋白接近于IV型，呈螺旋型，具有可溶性，后来逐渐转变成互相交织的不溶胶原蛋白。与此同时，纤维细胞进行性的合成能力下降，再加上环境污染，紫外线照射，精神紧张等各种原因，结果使皮肤变得干燥，变薄，失去弹性，脸上的皱纹也逐渐增多，这就是为什么皮肤老化会失去青春光彩的主要原因。在骨骼中的胶原蛋白也会发生流失，降低骨骼的韧性。骨质疏松的不仅仅是缺少钙的问题，胶原蛋白流失更是一个重要原因。 　　研究人员目前已经发现了29种胶原蛋白，其中数量最大的是一型胶原，主要存在于人的皮肤和骨骼当中，胶原二型主要存在于软骨组织之中，胶原三型主要存在于婴幼儿皮肤或者血管内膜等等这些内脏器官当中，胶原四型主要各种器官的(基底膜)、胎盘、(经脏器)等等这些部位。 　　什么叫肽?它跟蛋白质有什么区别?李八方教授介绍说：肽是由两个或者两个以上的氨基酸以肽键相连构成的化合物。一种肽含有的氨基酸少于10个称为寡肽，超过10个的就称为多肽 50个以上的氨基酸组成的多肽就是我们平时所熟知的蛋白质，在人体当中自然存在的胶原蛋白是由三条肽链形成的螺旋形纤维状蛋白质。因此多肽、寡肽、蛋白质在物质构成上是相同的，也就是说他们的物质基础是相同的，只是它们的分子量不同，构成肽的氨基酸的数量有差异，由于这种差异就造成了蛋白质多肽寡肽在生理上很多的不同。 　　胶原蛋白可以以多肽或寡肽的形式存在并起作用。就产品而言，胶原蛋白多肽指那些分子量在1000道尔顿以上，胶原蛋白寡肽则是指1000道尔顿以下。 　　小分子胶原蛋白肽可以被吸收 且比氨基酸吸收快 　　肽相对于蛋白质和氨基酸来讲，它有什么样的优势?李八方教授进一步解释：肽在许多活性方面它首先是优于蛋白质，两者在功能上有很大区别，首先肽是许多生命信息的携带者，能够调节各种各样的生命活动和生化反应，其次生物活性高，在微量和低浓度的情况下，肽都能发挥其独特的生理作用。第三分子太小，更容易人体吸收利用。 　　肽相对于氨基酸来讲，也有一些优势。第一它较氨基酸吸收快，氨基酸分子小于肽，但是在吸收方面肽要快于氨基酸，第二肽的吸收以完整的形式被集体利用，也就是说一串一串氨基酸被吸收，第三肽是主动吸收，很多氨基酸是被动吸收，肽通过十二指肠吸收后直接进入血液，输送到人体各个部位加以利用，第四个方面是耗能低，与氨基酸相比肽吸收具有低能耗和不消耗能量的特点，因此吸收比较快，第五个方面，肽吸收较氨基酸具有不饱和的特点，不会造成返回的这种现象，第六个方面是各种肽之间的运转没有竞争性，不存在抑制性。 　　与李八方教授的观点相同，北京大学公共卫生学院营养与食品卫生学系教材《肽营养学》明确提出， 小分子胶原蛋白无需分解可被人体直接吸收，在口服吸收及外用护肤方面效果明显。书中表示：大分子胶原蛋白进入人体后需要降解为小分子的胶原蛋白肽、氨基酸才能被人体吸收，真正有效吸收的成分并不多。因此，口服含胶原蛋白的食物，比如多喝富含胶原蛋白的骨肉汤、口服胶原蛋白补品等。但由于会被人的消化系统过滤掉很大一部分，且真正能到达肌肤并起作用的量非常有限。所以，最好是口服是纯天然无添加的小分子胶原蛋白肽，才能真正进入真皮层帮助修护肌肤，重建胶原蛋白层。 　　在整理专家发言的过程中，记者也搜寻了相关资料，有关资料显示：北京大学公共卫生学院营养与食品卫生学系主任李勇曾指出，小分子肽在吸收上有以下特点：(1)不需要消化，直接吸收：其表面有一层保护膜，不会受到人体的胃蛋白酶、胰酶、淀粉酶、消化酶及酸碱物质二次水解，它以完整的形式直接进入小肠，被小肠吸收，进入人体循环系统，发挥其功能 (2)吸收特别快：吸收进入循环系统的时间，如同静脉针剂注射一样，快速发挥作用 (3)具有100%吸收的特点：吸收时，没有任何废物及排泄物，能被人体全部利用 (4)主动吸收 (5)零负担：吸收时，不需耗费人体能量或消耗能量很少，不增加胃肠道负担 (6)起载体的作用：它可将人所食的各种营养物质运载送到人体的各细胞、组织、器官。因此，分子量越小，越容易为人体吸收。 　　现有的资料表明：国内外学术界已拿到充分的临床试验证据，证明小分子胶原蛋白在口服吸收及外用护肤方面都有明显的效果。空军总医院皮肤科、北京军区总医院、西苑中医院等权威医院都专门的临床研究表明，小分子的胶原蛋白吸收利用率可达90%以上。 　　据李八方教授介绍：目前胶原蛋白胶原肽已经广泛应用到各个方面，主要是应用在食品，特别是保健食品，应用比较多，而且胶原蛋白可以作为我们保健食品的基料来使用。当初日本研究胶原蛋白比较多，正是由于日本渔业较发达。我国是水产来料加工和出口贸易的大国，水产品的加工当中很多都是优良的胶原蛋白的，它们都是生产胶原蛋白和胶原肽很好的原料，我们应该充分注意到这些资源，开发优质的胶原蛋白产品。 　　所有的蛋白质进入体内都变成氨基酸是站不住脚的 　　对于胶原蛋白肽可以起到正面的作用，中国食品方向研究院院长、教授蔡木易进一步通过大量的实证例子提供了支持的根据。 　　据了解，胶原蛋白行业在国外兴起了数十年，最初以欧美国家研究为多，后来日本更是进行了大量的研究。 　　蔡木易教授介绍：在日本曾用大狗做实验，他们用小肽和游离氨基肽给大狗吃，做出来的效果小肽的吸收率明显高于游离氨基肽，这是个经典的实验，而且在医学上是可信的。另外关于胶原肽能不能吸收在日本找到有些文献，他们把低聚肽用同类素速成方法，进入体内之后，它在各个器官的表现，同肝脏、肾脏、脾脏，软骨，大脑，肌肉，皮肤芥蒂组织都找到同类适中的结果。而且对于皮肤来讲，14天之后，仍然发现了百分之七十。在国内外都有对低聚肽的研究，低聚肽可以直接吸收。国内做了下用整蛋白和肽的对照实验，发现实验结果跟国外相同，而且蛋白质吸收率非常有帮助，比整蛋白高很多。 　　蔡木易教授明确说：&ldquo 实际上，在药上用的胰岛素本来就是一种肽。 如果按照有些说法，所有的蛋白质进入体内都变成氨基酸的话，那么所有的多肽药物在体内都是没用的，所以我觉得这是站不住脚的。&rdquo 　　骨关节病与胶原蛋白密切相关 国内缺少用于治疗的胶原蛋白制剂 　　&ldquo 胶原蛋白对关节软骨的保护和恢复非常重要。&rdquo 研讨会上，来自北京航天731医院首席骨科医师、医学博士曲龙教授表示，骨关节病应该是骨科和胶原蛋白关系最为密切的一个疾病，骨关节病跟骨质疏松都是一种因老化而引起的疾病，其中骨关节病主要发生在关节部位，主要是软骨。而胶原蛋白是关节软骨组织的主要成分，占近60%，软骨中胶原蛋白的缺乏就会产生关节软骨组织变形、变薄，不能负重并引发病痛。 　　据了解，中国人口普查刚完，大概60岁以上老人已经超过1.75亿人，其中老年人口中有1亿人患骨关节病，骨质疏松有8000万。曲龙博士比喻说：在骨头里面主要是钙和胶原蛋白，比例大约是2:1，但胶原蛋白是骨骼中的骨，它在骨骼中起的作用，就好比是要进行水土保持一定要先植树造林，有了树根才能保证水土不流失，同样，如果胶原蛋白少的话，就起不到保护钙的作用，钙就会流失。在治疗过程中，骨关节病大概像一个做一个生态工程，主要是植树，补充胶原蛋白，防止水土流失。 &ldquo 现在很多患者都在服用含胶原蛋白的药或保健品来治疗骨关节病。&rdquo 据曲教授介绍，由于胶原蛋白对关节软骨的保护和恢复非常重要，现在不少患者在服用日本的一种保健品，它里面的成分有二级胶原蛋白，而目前国内临床并没有胶原蛋白制剂。正因如此，曲教授他们一直在关注胶原蛋白的研究。 　　胶原蛋白乱象折射标准缺失 监管缺失 　　根据现有可以查到的中研普华出具的《2010-2015年胶原蛋白行业发展前景分析及投资风险预测报告》，从2001年到2009年，世界胶原蛋白的市场需求量增长了近三倍，年均复合增长率超过了17.25%，表现出强劲的增长趋势。 　　西方发达国家由于胶原蛋白市场较为成熟，在全球胶原蛋白市场中所占份额较高，欧洲和美国的胶原蛋白市场最大，分别占全球市场总量的31.20%和28.00%， 亚洲市场仅次于美国，占14.60%，亚洲市场主要是日本、台湾及东南亚等地。 　　蔡木易教授介绍：其实，就胶原蛋白的安全性来说，大家应该不用质疑。目前卫生部门规定胶原蛋白是来源于食用蛋白质，用安全的食用酶制剂制成的物质，是普通食品，这一规定对行业规范是非常有帮助的。原料是用的鱼皮、猪皮，能多有毒?对此，中国保健协会保健品市场工作委员会秘书长王大宏曾告诉过媒体记者，没有政府部门在胶原蛋白类产品抽检中发现激素，也没有人举报类似问题。他欢迎相关质疑的人拿出证据去相关部门举报，如果能够查证，还有高额资金呢。 　　蔡木易教授说，胶原蛋白如果作为食品，根据法规要求，食品是不允许宣传的。但是客观来讲，老百姓吃食品是有选择的，食品应该是有功能的，但是不能进行宣传。 　　国内之所以对胶原蛋白提出质疑，本质上在于市场上胶原蛋白类产品混杂，标准缺失。虽然国家发改委在2005年公布了《水解胶原蛋白》的国家行业标准，但该标准规定胶原蛋白分子量的分布范围是500-20,000道尔顿，过于宽松(根据行业的公认，平均分子量为2000-5000道尔顿的胶原蛋白方易为人体吸收，目前在售的进口胶原蛋白其平均分子量基本在这一水平)。大多数企业利用国家行业标准中分子量范围过大的情况，将不易为人体吸收的大分子量胶原蛋白也宣称为易于人体吸收的胶原蛋白产品对外进行销售。 　　蔡木易教授表示，造成行业混乱的另一个主要原因则在于：由于行业内不企业不愿透露胶原蛋白的来源，产品没有明确标识，造成企业想申报标准却没有依据。这其中，有一些关键性的指标，肽作为一种蛋白质，首先蛋白质是应该有纯度的，我们国家的分离蛋白的标准就很宽泛，而且没有规定蛋白纯度。另外，作为肽必须要标明准确的分子量。