胶原蛋白系列深度一：动物源VS基因工程技术对比，看胶原蛋白发展路径

导语：本文为胶原蛋白系列首篇，行业尚处发展初期且技术为核心驱动，从胶原蛋白的基础结构和特征切入，重点分析动物源及基因工程制备过程流程及重难点，并以创尔生物及锦波生物为例说明，技术视角阐释应用领域差异，全方位剖析胶原蛋白未来发展路径。 科普篇：胶原蛋白是什么？（1）特征及结构：胶原具有稳定空间结构，分子量为300kDa，具有完整四级结构，保留三股螺旋结构，具有良好的生物活性及纤维结构，胶原蛋白、明胶、胶原蛋白肽在分子质量、氨基酸构成、性能及应用方面存在区别。（2）分布及分类：胶原蛋白占到人体蛋白质总量的25%-30%，28种胶原蛋白中I型、II型、III型占比为90%，工业化生产以I型及III型为主。（3）功效：胶原具有止血、低免疫原性、细胞互相作用、生物相容性、生物可降解性等特性，可防治骨关节炎和骨质疏松症，改善皮肤水分、肤质和抗老化。 胶原蛋白如何制备？（1）动物源提取：工艺成熟、活性高，但存免疫性及病毒性：（i）优缺点及难点：技术发展多年且胶原活性好，但存免疫性和病毒性两大痛点，提取难点在于灭菌、病毒灭活、免疫原清除、提纯、规模化生产等环节。（ii）提取环节：牛、猪、鱼及禽鸟类为原材料，牛和猪已形成产业化运用，原材料严格免疫保障安全性；主流提取方式为酸法及酶法。（iii）免疫原清除：六大因素影响免疫原性，清除方式多样，端肽去除可规避风险。（iv）分离提纯：明确分离纯化目的为核心，结合蛋白质特征选择提纯方式，技术参数影响运用及生产成本。（2）基因工程源提取：生物学特点优良，技术尚处于培育期：（i）优缺点及难点：解决动物源安全隐患问题，改善亲水性、免疫排异性，但产物无三螺旋结构，基因片段的选择、三螺旋结构的构建、细胞转染、蛋白纯化等环节为制备难点。（ii）表达前环节：蛋白序列、表达体系及辅助元件的不同，带来重组蛋白的种类多样化和功效专一性，提取前需明确重组片段。（iii）表达环节：基因工程提取胶原蛋白有五大表达体系，大肠杆菌及酵母成为首选生产菌种，但缺少空间结构且另需提纯环节。 动物源提取VS基因工程提取，应用端孰优孰劣？（1）生物医药：应用场景多元化，动物源胶原生物活性强，应用优势明显。（2）美容护肤：医美+护肤两大场景，性价比角度略有分化，（i）医美领域：动物源胶原促进填充部位胶原蛋白再生且效果更自然，领先于重组胶原；（ii）护肤品应用：有创面时，动物源胶原凭借大量羟基，具有良好保湿作用和修复力，应用领先；无创面时，重组胶原因生产成本低且保湿性好而领先。（3）食用：胶原有治疗和营养功效，性价比看基因工程占优。 多措并举引领行业规范发展，风险等级严格划分。多措并举引领胶原蛋白行业规范化、标准化，动物胶原采用最严格三类监管，重组胶原不低于二类。审批流程角度，医疗器械的注册周期较长，二类及三类械字号产品面临更高的生产技术要求，三类医疗器械另需国务院审批临床试验，行业监管严格且进入门槛较高。 投资建议：胶原蛋白具有良好的理化特征及生物活性，在医疗器械、医美注射、护肤品、食品等领域，应用领域广泛、空间可期，在美容护肤领域将实现对玻尿酸的替代，行业内动物源及基因工程提取均存在壁垒，重点关注华熙生物（动物源蛋白及重组胶原蛋白多维研发布局）、巨子生物（业务全方位布局，重组胶原蛋白开创者）、锦波生物（重组胶原蛋白领域领先，首个获得医美注射三类证企业，拟北交所上市）、创尔生物（活性胶原龙头，胶原敷料领先者，拟北交所上市）。 风险提示：行业监管政策调整风险；产品注册证收紧，拿证节奏或不及预期；技术进步不及预期；产品研发风险。 1.科普篇：胶原蛋白是什么？ 胶原广泛存在于人体之中。胶原蛋白是生物高分子，构成动物结缔组织中的主要成分，胶原的三股螺旋是由3条α肽链相互缠绕成的右手超螺旋构象，肽链中含有大量甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，胶原是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白，占到人体蛋白质总量的25%-30%，正常人90%的胶原存在于皮肤和骨头中，胶原约占真皮结缔组织的95%；人体正常骨骼中含有80%的胶原；肌腱组织中胶原含量高达85%，胶原广泛存在于人体之中。 胶原蛋白是胶原的降解物，胶原降解时空间结构改变，应用领域不一。胶原具有稳定空间结构，分子量为300kDa，具有完整的四级结构，三股螺旋结构没有改变，并保存良好的生物活性及纤维结构。胶原变性成明胶，三股螺旋结构被破坏，呈现自由的肽链或肽段，分子量在几kDa至几百kDa不等，彼时已失去生物活性。明胶继续降解后可得到胶原蛋白，降解过程也即胶原的三股螺旋结构彻底松开，成为三条自由的且多降解成多分散的肽链，其中还可能包括低聚肽，分子量在几千Da到几万Da之间不等。通过不同条件下的提取工艺，可以产生胶原、明胶和胶原蛋白，三者在分子质量、氨基酸构成、性能及应用方面存在区别，带来其应用领域的差异，活性胶原以生物医学领域应用为主，明胶多用于食品及医疗保健品领域，而胶原蛋白的分子量较小，可应用于食品、美容、医疗保健品等领域，较少应用于生物医学。 表1：胶原、明胶及胶原蛋白区别 国际纯粹化学与应用化学联合委员会将蛋白质的分子结构分为一级、二级、三级和四级，不同类别的蛋白质空间结构及作用效果均存在差异。 一级结构代表蛋白质中包含多少种氨基酸，每种氨基酸有多少个，这些氨基酸是怎样排列构成多肽链的，显著特点是其胶原域有甘氨酰-脯氨酰-羟脯氨酰、甘氨酰-脯氨酰-Y和甘氨酰-X-Y（X、Y代表除甘氨酰和脯氨酰以外的其他任何氨基酸残基）三肽重复序列存在，氨基酸排列顺序决定了空间结构； 二级结构代表多肽主链骨架中的若干肽段所形成的规则的空间排列，由三条左手螺旋肽链组成的三股螺旋结构，多肽链中的甘氨酸、X、Y残基位于同一水平面上，借助氢键形成了稳定的三螺旋结构； 三级结构即三股螺旋结构，是在二级结构的基础上，三条呈左手α螺旋结构的多肽链相互缠绕形成右手复合螺旋结构，也称为原胶原或胶原分子，肽链之间的次级键具有稳定胶原蛋白结构的作用，同时交联可以连接胶原蛋白使得胶原纤维具有高抗张强度； 四级结构是指由多条肽链组成的分子更大的蛋白质，其中每条肽链都盘曲成特定的三级结构，按特定的方式接触排列形成更高层次的立体蛋白质分子，按规则平行排列成束，首尾错位1/4，通过共价键搭接交联，形成稳定的胶原微纤维，并进一步聚集成束，形成胶原纤维，胶原蛋白四级结构对分子的大小、形状、生物功能起决定性作用。 图1：胶原蛋白的螺旋结构示意图 图2：胶原蛋白三螺旋片段的模型和链间氢键 图3：胶原在体内以多级聚合的方式存在 根据分布位置不同，胶原蛋白可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，当前已形成产业化运用。 胶原蛋白约占人体蛋白总量的25%-30%，成年人体中大约有3公斤的胶原蛋白，其广泛分布于各组织中，并且具有维持皮肤和组织器官的形态和结构作用。根据组织部位、生理功能、分子结构不同，当前共形成28种胶原蛋白，以Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型为代表的纤维胶原占全部胶原蛋白含量的90%左右，三种类型的胶原蛋白研究较为充分，当前已形成产业化运用。其中，Ⅰ型胶原在动物体内含量最丰富，占胶原总量的80%以上，是最主要的胶原蛋白，普遍存在于皮肤、骨骼、角膜等部位，用于维持骨结构的完整性和骨生物力学特性；Ⅱ胶原可加强皮肤的保水能力，填补皮肤内胶原纤维间的空隙，起到保湿、自然美白的作用；Ⅲ型胶原蛋白可为细胞提供养分，直接与血管母细胞结合促进新血管的形成，存在于皮肤、血管壁中。正常婴儿皮肤Ⅲ型胶原占80%，随着生长发育，Ⅲ型胶原不断减少，Ⅰ型胶原不断增加，成人皮肤胶原组成为Ⅰ型占80%，Ⅲ型占20%。多种胶原类型中，Ⅰ型胶原和Ⅲ型胶原蛋白与皮肤损伤修复过程和修复质量紧密相关，工业化生产中也以Ⅰ型及Ⅲ型胶原为主。 图4：胶原蛋白类别及存在于人体的部位 胶原蛋白具备多种生物特性，关键在于特有的三螺旋结构。胶原蛋白特有的三重螺旋结构，大分子排列形成纤维互相交联的结构，构成了物理支架特征及生理调价功能的基础。胶原蛋白作为细胞外基质的主要组分，不仅起到物理的支架结构，同时还可通过细胞外基质受体分子与细胞间实现信号传递，参与调控细胞的行为。在生理调节功能方面，胶原蛋白的作用包括防治骨关节炎和骨质疏松症，改善皮肤水分、肤质和抗老化，抗过敏、免疫等方面，保护胃粘膜以及抗溃疡作用，抑制血压上升作用，特殊氨基酸具有防癌等功效。 图5：胶原蛋白的生物学特性和具体表征 胶原蛋白兼具营养价值及生理调节功能。胶原蛋白含有钾、钠、钙、镁等元素，同时含有硒、锶等微量元素，当人体氨基酸运输系统功能出现障碍时，对寡肽吸收效果更好，胶原蛋白可起到补充人体营养的作用。生理调节功能方面，胶原蛋白可防治骨关节炎和骨质疏松症，改善皮肤水分、肤质和抗老化，抗过敏、免疫作用，保护胃粘膜以及抗溃疡作用，抑制血压上升作用，特殊氨基酸具有防癌功效。 图6：胶原蛋白在人体内的运用和具体表征 2.动物源VS基因工程，全链条生产工艺流程对比 胶原蛋白国内发展不足30年，未来资本将助推行业发展。海外对胶原蛋白的研究领先于国内，1958年从牛皮肤提取胶原蛋白，60年代去除氨基酸和羧基末端的尾肽片段，70年开始临床应用，1981年牛胶原蛋白真皮注射剂获得FDA论证。国内研发生产情况来看，台湾领先的胶原蛋白企业双美1995年开始研发胶原蛋白，巨子旗下的范代娣团队在2003年采用PCR（聚合酶链式反应）扩增、重组转化、高密度发酵培养，得到首个国人自主研发的类人胶原蛋白。重组胶原蛋白领域，中国已经进行了产业化，大多数国家仍处于实验室阶段，国内整体研发水平领先于海外。21世纪，胶原逐渐被应用于组织工程及组织医学，后拓展至干细胞转化、细胞培养、药物控释和医美等领域，国内外的研究和应用逐渐增加，创尔、锦波、巨子、双美等公司取得多个医疗器械注册证。创尔生物和锦波生物分别在2014、2015年新三板挂牌，当前拟IPO上市，巨子生物也有上市计划，未来将通过资本市场助推胶原蛋白发展。 图7：胶原蛋白制备工艺的发展历史 目前主流的提取方法分为动物源提取及基因工程提取胶原蛋白。银耳、桃胶等含有植物胶原蛋白的食物，本质上为多糖，胶原蛋白的来源主要来自于动物以及重组人源胶原。动物源提取胶原蛋白的工艺较为成熟，门槛和成本较低，提取物活性较高，但会有提取物带有免疫性及病毒性等问题，基因工程可有效对动物源提取的缺点进行改进，但国内对该种方法的研究尚处于早期阶段，基因工程得到的胶原蛋白与动物源仍存在一定差距，真正实现产业化运用仍需时日。 表2：胶原蛋白主流提取方式的原理及优缺点 政策出台限制胶原蛋白命名，推动行业规范发展。国家药监局2021年3月发布的《关于发布重组胶原蛋白生物材料命名指导原则的通告》中指出，重组胶原蛋白生物材料名称由核心词和特征词组成，按“特征词（如有）+核心词（A+B）”结构编制，核心词A按照氨基酸序列片段划分为重组人胶原蛋白、重组人源化胶原蛋白及重组类胶原蛋白三类，特征词为Ⅰ型、Ⅲ型、其他或缺省，2021年年内推出两项胶原蛋白专项政策，厘清行业发展。同时，行业内多以重组人源化胶原蛋白为主，生产的胶原类型以Ⅰ型及Ⅲ型为主。 表3：动物胶原蛋白及重组胶原蛋白定义及代表公司 2.1.动物源提取：工艺成熟、活性高，但存免疫性及病毒性 创尔生物通过动物源提取胶原蛋白，在行业内处于领先地位，用动物源提取胶原蛋白面临免疫性和病毒性两大问题。（1）免疫性：动物体内和人体内的胶原蛋白氨基酸序列不同，需通过增加工艺以降低产品的免疫原性，避免人体产生组织排异性；（2）病毒性：动物来源的胶原蛋白大多为混合物，生产时需要排除疯牛病、口蹄疫等人畜共患病毒，组织内的胶原蛋白形成了刚性结构纤维，操作时易引起分子链断裂，导致三螺旋结构断裂及丧失生物活性。 通过动物源提取胶原蛋白的流程为：动物相应的部位→去脂→切片→清洗→消毒→粉碎→反应→过滤→纯化→得到胶原原液，而用动物源提取胶原蛋白技术上的难点在于灭菌、病毒灭活、免疫原清除、提纯、规模化生产等环节。 图8：动物源提取胶原蛋白流程 2.1.1.提取环节：来源及生产工艺多样，已