揭開膠原蛋白的神秘面紗
92/02/19
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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系
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 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 肌組織是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 神經系統由神經細胞（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polypeptides鏈所組成的，而此三條polypeptides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polypeptide鏈（稱為α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α鏈所組成的（如第二型），也有由完全不相同的α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。
膠原蛋白在美容上的應用–萬靈丹還是？
而前陣子炒得很熱的一個新聞，就是某董事長由於親自使用胎盤素與膠原蛋白等回春保養品，臉上的皮膚煥然一新，使得膠原蛋白轉眼間成了搶手貨，凡是有關膠原蛋白的產品，其價格也跟著水漲船高。但是膠原蛋白真的有如此大的效用嗎？想必消費者一定被弄得糊裏糊塗吧！
其實根據研究顯示膠原蛋白確實對於皮膚有保持水分、增加緊縮性及彈性的功效，但是膠原蛋白有那麼多型，到底那些膠原蛋白才是對皮膚有幫助的呢？其實膠原蛋白第一型及第三型僅作用於真皮層，它們能使肌膚保持水分、增加彈性及光澤，但是真正對皮膚能維持養分及正常輸送水分的是位於基底膜的膠原蛋白第四型，所以真正對肌膚有影響的是第一型、三型、和四型。
皮膚不管缺乏那一型都會影響其原來正常的功能，但是皮膚表皮的構造會使得較大分子的物質無法被吸收，因此肌膚對於膠原蛋白的吸收效果如何也是有待研究。此外，由於膠原蛋白是由動物萃取而得，因此在萃取過程中可能會影響其原來的生理活性，比方說明膠是一般果凍的成分，是膠原蛋白變性的產物，因此若在萃取過程中不加以注意，就可能形成明膠，那活性就和膠原蛋白差太多了。
目前在市面上有很多有關膠原蛋白的產品，又因為膠原蛋白是一種動物特有的蛋白質，也因此市面上的膠原蛋白一定是從動物體上萃取出來的，所以產品在品管及取得來源上是消費大眾應該特別注意和關心的。
前些日子，相信大家對於狂牛症疫情的報導仍然記憶猶新，繼日本與歐盟禁用來自狂牛症疫區的化妝品後，我國衛生署也決定跟進，全面禁用來自愛爾蘭、英國、荷蘭、比利時、法國、瑞士、盧森堡、葡萄牙、列茲敦斯登、德國、丹麥、義大利、西班牙等歐洲13國狂牛症疫區所製造，含胚胎成分的化妝品，並且衛生署也表示，一般經由動物的組織及器官（如雞、牛、羊等）萃取出某些物質並製成化妝品的產品，包含了膠原蛋白、胎盤素等，在功能上雖然能防止老化、保持皮膚的水分等，不過還是提醒部分愛美人士在挑選產品上一定要小心謹慎。
膠原蛋白材料的發展迄今已有二十餘年，在醫學應用上的發展卻只有初步的結果，仍有許多未知的及具有發展潛力的應用，可以預見在不久的將來，膠原蛋白產品將能為人類帶來更多的福祉。
