鲤鱼I型胶原蛋白新型片段促进骨再生的发现与机制研究

本研究针对骨缺损修复的临床需求，从鲤鱼I型胶原蛋白(CcCOL1)中筛选出具有骨诱导活性的功能片段。通过机器学习辅助分类150个氨基酸片段，筛选出可被毕赤酵母分泌表达的Var-2变异体，其与甲壳素/羟基磷灰石(HAP)构建的复合材料抗压强度达5.77±0.32 MPa，大鼠胫骨缺损模型显示12周后显著促进骨再生，为骨组织工程提供了新型生物材料。

　　

骨缺损每年影响全球超过220万人，传统哺乳动物源胶原存在伦理和病原体风险。鲤鱼胶原因其低变性温度和易吸收特性成为研究热点，但如何从复杂序列中筛选功能性片段仍是难题。江西省人民医院联合中科院苏州医工所团队在《Functional》发表研究，通过机器学习分析150个氨基酸片段的生物活性、净电荷等特征，将CcCOL1片段分为3个亚群。

研究采用毕赤酵母分泌表达系统，通过圆二色谱(CD)和傅里叶红外光谱(FTIR)验证三重螺旋结构，扫描电镜(SEM)观察自组装形貌。选取诱导成骨细胞分化最强的Var-2，与甲壳素/HAP按2:1比例构建复合材料，通过CCK-8法和RT-qPCR评估细胞活性及分化标志物(VCL、ACTN)表达，建立大鼠胫骨缺损模型验证再生效果。

分析及筛选CcCOL1新型片段
从CcCOL1的G-X-Y重复区(Frg2)滑动窗口提取片段，机器学习聚类显示生物活性与净电荷(PCC=0.53)、疏水性(0.95)显著相关。PCA分析划分3个簇群，选取Var-1至Var-6及Frg1衍生片段Var-7/Var-8共8个变异体。

毕赤酵母中的CcCOL1片段生物合成
利用pPIC9K载体在GS115菌株中表达，SDS-PAGE证实6个变异体成功分泌，产量72-108 mg/L。Var-1和Var-7经MALDI-TOF MS验证，分子量14.7 kDa和4.8 kDa。

自组装特性验证
CD光谱显示所有样本在4°C形成三重螺旋(220-222 nm正峰)，仅Var-2/Var-3在15°C保持稳定。FTIR检测到酰胺A带(3301.6 cm^-1)和酰胺II带(1642.1 cm^-1)，TEM显示41.6 nm纤维结构，SEM呈现多孔支架。

促成骨分化能力
Var-2使MC-3T3细胞粘附面积增加1倍，VCL/ACTN基因表达提升1.3倍，优于市售罗非鱼胶原(TiCol)。复合材料虽使细胞增殖率略降，但粘附率提高32%。

机械性能优化
2:1甲壳素/HAP比例下，材料抗压强度达5.77±0.32 MPa，孔隙率1100%±75%，18天酶解率仅18.84%±1.80%。

体内再生评估
X射线显示复合材料组12周后缺损完全修复，对照组仍见明显界限，证实其促骨再生潜力。

该研究开创了机器学习辅助胶原片段筛选的新策略，Var-2复合材料兼具力学强度和生物活性，突破传统胶原支架易降解的局限。通过微生物合成规避动物源风险，为个性化骨修复材料开发提供新思路，尤其适合需符合清真/犹太教规的医疗场景。未来可进一步优化片段组合方式，探索其在软骨等其他组织工程中的应用。