Защо е важен колагенът

Колагенът е главният и най-наситен белтък в съединителната тъкан при животинските видове, съставлявайки 1/4 от всички белтъци в организма на бозайниците. Той е влакнест, структурен протеин, който се състои от десен сноп от три успоредни, леви полипролин II-тип спирали. Гръбначните съдържат най-малко 15 различни вида колаген. Те се намират в уникални тъканно-специфични модели, възникват по време на развитие в определени времеви и пространствени модели и проявяват различни функционални свойства. Също така е доказано, че колагените участват, пряко или индиректно, в клетъчното прикрепване и диференциация, като хемотаксични агенти, като антигени в имунопатологични процеси и като дефектен компонент при определени патологични състояния. По този начин, в допълнение към техните структурни роли, потенциално имат множество функции за развитие и физиологични функции.

Производството му започва в утробата на около 5-та седмица от първия триместър на бременността. По време на последващото развитие колагеновата матрица се увеличава и се свързва с по-големи фибрили, които се сглобяват в по-големи снопове. Още на 15-та гестационна седмица могат да се разграничат различни области на папиларната и ретикуларната дерма. Колаген тип I присъства в кожата, сухожилията, васкулатурата, органите и костите. Тип II присъства предимно в хрущяла, а тип III обикновено се среща заедно с тип I и обикновено представлява около 15% от кожния колаген.

Усъвършенстваният структурен дизайн в рибените люспи улеснява здравата броня, съобразена с нуждите на конкретния вид. Друг биологичен материал, който дължи впечатляващите си свойства на колагена, е костта. В човешкото тяло костната структура (скелет) поддържа цялото тегло на тялото, но представлява само приблизително 20% от общото тегло. Костта трябва да притежава изключителни механични свойства, за да изпълни ролята си, за което помага колагенът.

Колагенът осигурява поддържащата матрица в основата на здравата кожа и е ключов фактор за запазване на стегнатостта и еластичността ѝ. 80%-90% от кожния колаген е тип I. Произвежда се от клетки, наречени фибробласти, които са тип мезенхимни клетки, намиращи се предимно в дермата. Производството му намалява с възрастта (с около 1,0%-1,5% годишно), затова добавките на базата на колаген са ключови в управлението на процеса на стареене, с доказана способност да възстановяват уврежданията на кожата и поддържане на младежки и здрав вид.

Фибрилите (влакна) осигуряват основното биомеханично скеле за клетъчно прикрепване и закотвяне на макромолекули, позволявайки формата на тъканите да бъде дефинирана и поддържана. Доскоро се смята, че образуването на колагенови фибрили е основно процес на самосглобяване (т.е. такъв, който до голяма степен се определя от присъщите свойства на самите колагенови молекули), но също така е чувствителен към клетъчно-медиирана регулация, особено в млади или заздравяващи тъкани. Сега е ясно, че образуването на колагенови фибрили не става наведнъж, а е следствие на вътреклетъчни и извънклетъчни етапи. Полученото механично напрежение, приложено върху тъканта, се счита за отговорно за (ре)организацията на колагеновите влакна. Също така генерираните от клетката сили могат колективно да създадат напрежения на надклетъчно или тъканно ниво, които влияят на подреждането на клетките и колагеновите влакна, тъй като те често са подравнени с максималното напрежение на срязване.

Други изследователи предполагат, че предпочитаното подравняване възниква поради поведението на стабилизиране на напрежението, при което влакната под механично напрежение се поддържат срещу ремоделиране чрез ензимно разграждане. По този начин колагеновите фибрили могат да се сглобяват в специфични модели дори в а-клетъчен контекст. Тези два механизма могат да опишат просто еднослойно анизотропно подреждане на колагенови влакна. Не е ясно обаче как множеството слоеве колагенови влакна се натрупват заедно в подобни на ламели тъкани.

Вътрешните фактори на организма, като пубертет, бременност, менопауза, андропауза, генетика, възраст, етническа принадлежност, и външните фактори – тютюнопушене, ултравиолетова радиация, замърсяване, намалената ефективност при елиминирането на свободните радикални химикали, също влияят за намаляване на производството на колагена.

Широка гама от лиганди може да повлияе пряко или косвено на пролиферацията и активирането на фибробластите, включително биоактивни пептиди, антиоксиданти, ретиноиди, витамини, омега 6- и омега 3-мастни киселини, растежни фактори, хидрокси киселини и голям набор от растителни екстракти.

Колагенови фибрили са произвеждани и изкуствено чрез процес на разтваряне на естествен колаген, последван от обработка и сглобяване. Този процес може най-добре да се опише като ръководено самосглобяване. Колагеновите структури могат да бъдат произведени в лабораторна среда и имат потенциални приложения за подмяна на връзки и кожа и изграждане на скелета.

Колагенът се използва широко в хранително-вкусовата, фармацевтичната, козметичната, биомедицинската и кожарската промишленост. Основните източници на индустриален колаген са тези от свинска и говежда кожа и кости. Много естествени полимери и техните синтетични аналози се използват като биоматериали, но характеристиките на колагена като биоматериал се различават от тези на синтетичните полимери главно по начина му на взаимодействие в тялото. Колагенът играе важна роля в образуването на тъкани и органи и участва в различни функционални прояви на клетките. Той е добър повърхностно-активен агент и демонстрира способността си да прониква през повърхност без липиди. Показва биоразградимост, слаба антигенност и превъзходна биосъвместимост в сравнение с други естествени полимери, като албумин и желатин. Основната причина за полезността на колагена в биомедицинското приложение е, че може да образува влакна с допълнителна здравина и стабилност чрез самоагрегация и кръстосано свързване.

Използването на колаген като система за доставяне на лекарства е много обширно и разнообразно. Той може да бъде извлечен във воден разтвор и формован в различни системи за доставяне. Основните приложения на колагена като системи за доставяне на лекарства са колагенови щитове в офталмологията, гъби за изгаряния/рани, мини-пелети и таблетки за доставяне на протеини, гел формулировка в комбинация с липозоми за продължително доставяне на лекарства, като контролиращ материал за трансдермално доставяне и наночастици за доставка на ген. Употребява се също като хирургически конец, хемостатични агенти и тъканно инженерство, включително основни матрици за системи за клетъчни култури и заместители на изкуствени кръвоносни съдове и клапи. По-добрите системи за доставяне на колаген с точен контрол на освобождаването могат да бъдат постигнати чрез коригиране на структурата на колагеновата матрица или добавяне на други протеини, като еластин, фибронектин или гликозаминогликани.

Източници:

– Mechanisms of lamellar collagen formation in connective tissues / Biomaterials

– The materials science of collagen / Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials

– Biomedical applications of collagen / International Journal of Pharmaceutics

– Skin collagen through the lifestages: importance for skin health and beauty / Plastic and Aesthetic Research