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胶原蛋白概况
1.1 胶原蛋白发展历史
图1:国内外胶原蛋白制备技术演进历程
来源:《一种重组人源胶原蛋白及其生产方法》;《皮肤原胶原蛋白的酶法提取及在高附加值领域的应用》;《基因重组酵母工程菌优化表达人源胶原蛋白》;中金公司
图2:胶原蛋白简单结构
来源:创尔生物招股书
胶原蛋白是人体重要的结构性蛋白质,它不仅作为细胞外基质的主要成分,起到物理支架的作用,维持皮肤和组织器官的形态和结构,还参与细胞的增殖、分化以及迁移等生理过程。此外,胶原蛋白通过与细胞表面受体结合,可以调节细胞生长、分化和迁移,从而在组织修复和再生中发挥重要作用,胶原蛋白是修复损伤组织的重要原料之一。
图3:胶原蛋白能够维持皮肤的形态与结构
来源:抗衰前沿观察站
1.3 胶原蛋白结构
从形态结构来看,胶原蛋白是一种白色、不透明、无支链的纤维状生物高分子蛋白质,依据其在人体内的合成过程,天然的胶原蛋白分子包含四级结构,三螺旋结构是其标志性结构。
一级结构,氨基酸序列:由多个氨基酸(例如,I型胶原蛋白由2条各含1464个氨基酸的α-1(I)链和1条含1366个氨基酸的α-2(I)链构成;III型胶原蛋白由3条各含1466个氨基酸的α-1(III)链构成)按照特定的序列构成α-肽链。α-肽链包含6个区,依次为:信号肽、N-前肽、N-端肽、三螺旋区、C-端肽、C-前肽。其中,三螺旋区具有Gly-X-Y氨基酸重复序列(Gly为甘氨酸,X常为脯氨酸,Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸)。信号肽用于引导后续在细胞内合成的前胶原转运并分泌到细胞外。前肽用于在三级结构形成过程中引导3条α-肽链“对齐”排列,形成三螺旋结构。端肽则与四级结构中共价键交联的形成相关。
二级结构,α-肽链:单条α-肽链上的局部相邻氨基酸发生盘曲,形成左手螺旋的空间结构。
三级结构,前胶原:前胶原在人体内的合成是一个复杂的过程,涉及羟基化、糖基化等多个反应并需要多种酶的参与,这也是人工合成的胶原蛋白难以形成三螺旋结构的主要原因之一。具体过程包括:1)羟基化:α-肽链上的脯氨酸、赖氨酸残基经过脯氨酰羟化酶、赖氨酰羟化酶的催化,形成羟脯氨酸和羟赖氨酸。由于羟脯氨酸上的羟基参与了肽链之间氢键的形成,对胶原蛋白三螺旋结构的稳定性十分重要;2)糖基化:在糖基转移酶的作用下,糖类与肽链上的氨基酸残基形成糖苷键,部分研究认为糖基化与四级结构中胶原纤维的定向排列有关;3)形成前胶原:3条α-肽链交错排列,Gly、X和Y残基位于同一水平上,相邻肽链的甘氨酸和羟脯氨酸之间形成氢键,以右手螺旋的方式形成稳定的三螺旋结构的前胶原;4)前胶原进一步形成原胶原:前胶原在信号肽的引导下分泌到细胞外间质中,经内切酶水解,切去两端的N-前肽、C-前肽,最终形成原胶原。
1.4 胶原蛋白分布与分型
胶原蛋白是人体组织、器官中最主要的结构蛋白,约占人体蛋白质总量的30%-40%。胶原蛋白广泛分布于人体的结缔组织中,全方位的参与人体组织、器官的再生与修复,如:皮肤、软骨和骨、肌腱、韧带、角膜、器官被膜、硬脑膜等,其中,90%的胶原蛋白存在于人体的皮肤和骨头。
截止目前,已发现29种分型的胶原蛋白。胶原蛋白分布在人体不同的组织、器官中,其中,I型、II型和III型胶原蛋白含量最高,I型胶原蛋白占总胶原蛋白含量的80%-90%。但是在不同年龄段的人群中,胶原蛋白的含量有所不同,例如,在成年人体内含量最高的是I型胶原蛋白,其次是III型。在婴幼儿体内含量最高的是III型胶原蛋白,其次是I型。
图5:胶原蛋白的分布与基本功能
来源:创尔生物招股说明书;《Collagen: Structure and Mechanics》;中金公司
图6:不同分型的胶原蛋白对人体皮肤基底膜的
功能具有重要意义
来源:谦语千讯;信达证券
来源:信达证券;NATURE;SCIENCE
来源:锦波生物招股书;投资团队整理
图8:动物源胶原蛋白与重组胶原蛋白制备工艺流程
来源:创尔生物招股说明书;锦波生物招股说明书;中金公司
图9:重组胶原蛋白表达体系以及表达量
来源:《重组胶原蛋白表达体系研究进展》
目前,各大厂商尚无法规模化量产全长且具备三螺旋结构的重组胶原蛋白,主要原因即三螺旋结构胶原蛋白在人体内的合成是一个复杂的过程,涉及羟基化、糖基化等多个反应并需要多种酶的参与。当前,大规模制备的重组胶原蛋白多采用大肠杆菌、酵母菌等微生物作为表达宿主,微生物细胞相比人细胞在蛋白翻译后修饰方面存在明显的劣势,仅能实现简单的糖基化、甲基化、乙酰化等,因此,制备的重组胶原蛋白多以线状、α-螺旋、β-折叠等低级结构存在,普遍不能形成稳定且复杂的空间结构,在生产、储存过程中易出现降解、局部聚集等现象。
目前,实验室中制备全长且具备完整三螺旋结构的重组胶原蛋白有两种思路:1)利用动、植物细胞表达全长且具备完整三螺旋结构的重组胶原蛋白,但成本高昂,尚无法规模化量产;2)利用大肠杆菌、酵母菌表达全长单链重组胶原蛋白,再通过加入羟化酶以促进三螺旋结构的形成,但定点的羟化是难点。
图10:胶原蛋白四级结构形成过程
来源:谦语千讯;信达证券
1.6 胶原蛋白命名原则
胶原蛋白一词涵盖了非常宽泛的分子量以及不同的分子形态。基于胶原蛋白的两大制备思路(动物组织提取法、基因工程制备法),现存两套并行的命名规范。
动物组织提取法可视为将动物体内的胶原蛋白大分子提取和拆解的过程,故依据其四级结构,从大到小依次可分为三种主要产物,其命名规则以分子结构的完整性和生物活性的强弱作为区分依据:1)活性胶原蛋白:从动物组织直接提取的活性胶原蛋白,具备三螺旋结构,分子量通常大于300kDa,生物活性优良;2)明胶:活性胶原蛋白在高温作用下的变性产物,三螺旋结构已断裂,分子量通常为10k-100kDa;3)胶原蛋白肽:活性胶原蛋白或明胶在较高温度下用蛋白酶水解得到的肽混合物,分子量通常低于10KDa,生物活性较低,但是吸收性、溶解性更好。
基因工程制备的重组胶原蛋白命名规则不以分子量为界限,而是通过其与人体天然胶原蛋白氨基酸序列的重合度和结构相似度来衡量。根据国家药监局2021年3月15日发布的《重组胶原蛋白生物材料命名指导原则》(2021年第21号通告),将重组胶原蛋白细分为重组人胶原蛋白、重组人源化胶原蛋白、重组类胶原蛋白。
来源:国家药监局《重组胶原蛋白生物材料命名指导原则》
图11:蛋白胶原蛋白命名原则
来源:开源证券研究所
胶原蛋白监管政策
来源:国家药监局
图12:重组胶原蛋白领域政策汇总
来源:国家药监局;中金公司
胶原蛋白市场规模
图13:中国胶原蛋白市场规模(亿元)
来源:弗若斯特沙利文
来源:弗若斯特沙利文
胶原蛋白产业链
图16:胶原蛋白产业链
来源:国家知识产权局;中金公司
来源:《胶原蛋白的提取、性质及其应用的研究进展》;中金公司
来源:美迪西生物;中金公司
胶原蛋白应用场景
来源:锦波生物招股书
来源:中金公司;《胶原蛋白与临床医学》;巨子生物招股说明书
来源:中金公司
来源:弗若斯特沙利文;中金公司
图22:胶原蛋白应用于组织工程领域
数据来源:《胶原组织工程产品在创面修复中的应用进展》;《利用重组人源胶原蛋白制备生物医学组织工程材料》国家药监局;中金公司
图23:胶原蛋白应用于辅料领域
来源:弗若斯特沙利文;中金公司
图24:胶原蛋白在防脱发领域的应用
来源:信达证券
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