Collagen loại i là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và phân loại Collagen loại I

Collagen loại I là protein cấu trúc chính trong mô liên kết ngoại bào, chiếm khoảng 90% tổng lượng collagen của cơ thể người. Collagen này do hai chuỗi α1(I) và một chuỗi α2(I) bao gồm gen COL1A1 và COL1A2 tổng hợp, kết hợp tạo thành triple helix đặc trưng dài ~300 nm. Collagen loại I chịu trách nhiệm chính trong việc duy trì độ bền kéo và tính đàn hồi của da, gân, xương và răng.

Về phân loại, Collagen loại I thuộc nhóm fibrillar collagen, khác biệt với các loại collagen khác như loại II (chủ yếu ở sụn), loại III (đồng xuất hiện tại mô đàn hồi), loại IV (lớp basal membrane) và loại V (điều tiết fibril). Mỗi loại collagen có cấu trúc và chức năng sinh học riêng, nhưng collagen I là dạng phong phú nhất và quan trọng nhất trong các mô chịu lực cơ học.

• COL1A1: mã hóa chuỗi α1(I), nằm trên NST 17q21.33 (ncbi.nlm.nih.gov/gene/1277).
• COL1A2: mã hóa chuỗi α2(I), nằm trên NST 7q21.3 (ncbi.nlm.nih.gov/gene/1278).
• So sánh: Collagen II dạng homotrimer α1(II) ở sụn; Collagen IV dạng lưới ở màng đáy.

Cấu trúc phân tử và tổ hợp sợi

Mỗi phân tử collagen I bao gồm ba chuỗi polypeptide xoắn trochoidal (triple helix), trong đó glycine xuất hiện ở vị trí thứ ba của mỗi ba axit amin liên tiếp (motif Gly–X–Y). X và Y thường là proline và hydroxyproline, giúp ổn định cấu trúc xoắn thông qua liên kết hydro. Chiều dài triple helix khoảng 300 nm, đường kính ~1,5 nm.

Các triple helix sau đó tự tổ hợp theo chiều dọc và ngang tạo thành fibril collagen, kích thước fibril dao động 50–500 nm. Fibril tiếp tục tập hợp thành fiber bundle lớn hơn, chịu lực kéo và phân bố đều trong ma trận ngoại bào.

Tổng hợp sinh học và xử lý sau phiên mã

Quá trình tổng hợp collagen I bắt đầu trong nguyên bào sợi với phiên mã gen COL1A1/COL1A2 thành tiền pro-collagen chứa peptit N- và C-propeptide. Trong lưới nội chất trơn, proline và lysine tại vị trí X–Y được hydroxyl hóa bởi prolyl hydroxylase và lysyl hydroxylase với sự tham gia của vitamin C làm đồng yếu tố.

• Hydroxyl hóa: Prolyl/lysyl hydroxylase tạo hydroxyproline và hydroxylysine.
• Glycosyl hóa: Galactosyl và glucosyl gắn thêm lên hydroxylysine.
• Gắn gọn triple helix: Nhiệt độ 37 °C và liên kết hydro giúp xoắn gọn.

Sau khi xuất bào vào không gian ngoại bào, N- và C-propeptide bị protease như procollagen N-proteinase và procollagen C-proteinase cắt bỏ, cho ra tropocollagen. Cuối cùng, enzyme lysyl oxidase xúc tác liên kết chéo giữa các lysine/hydroxylysine, tạo mạng lưới fibril ổn định và chịu lực cao.

Phân bố mô và vai trò sinh lý

Collagen loại I phân bố chủ yếu ở da (chiếm 80–85% protein ngoại bào), gân, xương, sụn sợi và răng. Ở da, collagen I kết hợp với elastin và glycosaminoglycan tạo nên cấu trúc dermis bền vững, chịu lực kéo và đàn hồi. Trong xương, collagen I cung cấp khung hữu cơ cho khoáng hóa hydroxyapatite.

Ở gân và dây chằng, thành phần collagen I chiếm tới 95%, chịu trách nhiệm truyền lực cơ trơn từ cơ đến xương. Trong quá trình lành vết thương, nguyên bào sợi tăng sinh tổng hợp collagen I đắp đầy tổn thương, tạo mô hạt và cuối cùng remodel thành mô sẹo chắc chắn hơn.

• Da: duy trì độ đàn hồi, giảm nếp nhăn.
• Xương: khung đệm cho khoáng hóa, chống gãy.
• Gân/Dây chằng: truyền lực, chịu kéo cao.
• Răng: cấu trúc mô nha chu và ngà răng.

Chức năng sinh học và tín hiệu tế bào

Collagen loại I tương tác với các receptor integrin trên bề mặt tế bào, chủ yếu bao gồm integrin α1β1 và α2β1, tạo điều kiện cho quá trình bám dính (cell adhesion) và di cư tế bào (cell migration). Khi collagen I gắn kết với integrin, focal adhesion kinase (FAK) được kích hoạt, dẫn đến phosphoryl hóa các protein liên quan như paxillin và talin, hình thành điểm bám dính (focal adhesion) ổn định.

Kích hoạt FAK cũng khởi động con đường tín hiệu MAPK/ERK và PI3K/Akt. MAPK/ERK thúc đẩy biểu hiện gen quy định chu kỳ tế bào, tăng sinh nguyên bào sợi và tế bào nội mạc. PI3K/Akt góp phần duy trì tính sống còn của tế bào, ức chế apoptosis và hỗ trợ quá trình tạo mạch (angiogenesis) trong tái tạo mô.

• MAPK/ERK: Thúc đẩy tăng sinh và biệt hóa nguyên bào sợi.
• PI3K/Akt: Ổn định cytoskeleton, giảm apoptosis.
• FAK: Trung tâm điều phối tín hiệu cơ–máy.

Ý nghĩa lâm sàng và bệnh lý liên quan

Đột biến trong gen COL1A1 hoặc COL1A2 dẫn đến mắc bệnh Osteogenesis Imperfecta (xương giòn) với nhiều mức độ nghiêm trọng khác nhau, từ gãy xương nhẹ đến biến dạng xương trầm trọng (ghr.nlm.nih.gov). Bệnh Ehlers–Danlos type I/II cũng do rối loạn xử lý collagen I gây da giãn quá mức, khớp siêu linh hoạt và dễ tổn thương mô liên kết.

Tăng sinh collagen I bất thường trong mô kẽ có thể dẫn đến xơ hóa (fibrosis) ở gan, phổi và tim. Chẳng hạn, xơ phổi tiến triển (idiopathic pulmonary fibrosis) ghi nhận sự tích tụ collagen I làm dày vách phế nang, giảm trao đổi khí và tăng áp phổi. Phân tích mô bệnh học thường sử dụng nhuộm Masson’s trichrome để định vị sợi collagen màu xanh giữa mô đỏ.

Ứng dụng trong thẩm mỹ và y sinh

Collagen loại I thủy phân (hydrolyzed collagen) được ứng dụng rộng rãi trong sản phẩm thực phẩm chức năng và mỹ phẩm, giúp cải thiện độ đàn hồi da, giảm nếp nhăn và tăng độ ẩm. Các peptide collagen cỡ nhỏ dễ hấp thu qua biểu bì, kích thích nguyên bào sợi dưới da tổng hợp collagen nội sinh.

Trong y sinh, màng collagen I và scaffold collagen được sử dụng làm nền cho kỹ thuật tái tạo da, ghép mô và phẫu thuật chỉnh hình. Scaffold collagen có cấu trúc xốp, tương tự ma trận ngoại bào tự nhiên, hỗ trợ sự bám dính và tăng sinh tế bào, thúc đẩy quá trình tái tạo tổn thương.

• Dermal fillers: Tiêm collagen để làm đầy rãnh nhăn.
• Scaffold collagen: Ghép da, điều trị bỏng và loét tì đè.
• Hydrolyzed collagen: Viên uống hỗ trợ sụn khớp và da.

Phương pháp phân tích và định tính

Định lượng collagen loại I trong mẫu mô và dịch sinh học thường sử dụng ELISA đặc hiệu kháng thể đơn dòng, cho độ nhạy cao và khả năng phân biệt với các loại collagen khác. Western blot giúp xác định kích thước chuỗi α1(I) và α2(I), đồng thời đánh giá mức độ glycosyl hóa.

Phổ FTIR và Raman spectroscopy cung cấp thông tin về liên kết peptid và mức độ thủy hóa, trong khi X-ray diffraction phân tích cấu trúc fibril và độ tinh thể của collagen.

Chỉnh sửa và cải biến collagen

Các peptide gắn bổ sung như RGD (Arg-Gly-Asp) có thể được tổng hợp và liên kết lên bề mặt collagen I để tăng cường tương tác với integrin, cải thiện đáp ứng tế bào trong mô ghép. Genipin là chất crosslinking không enzyme, tạo liên kết chéo giữa các chuỗi collagen, tăng độ bền cơ học và giảm khả năng phân hủy enzym.

• RGD peptide: Tăng khả năng bám dính tế bào.
• Genipin: Crosslinking giúp scaffold ổn định lâu dài.
• CRISPR/Cas9: Chỉnh sửa gen COL1A1 trong nguyên bào sợi để điều chỉnh sản xuất collagen.

Các nghiên cứu tiền lâm sàng sử dụng nguyên bào sợi đã chỉnh sửa gen cho thấy khả năng phục hồi mô nhanh hơn và giảm viêm so với scaffold collagen không biến đổi.

Tài liệu tham khảo

1. Shoulders, M. D., & Raines, R. T. “Collagen structure and stability.” Annual Review of Biochemistry, vol. 78, 2009, pp. 929–958.
2. Myllyharju, J. “Prolyl 4-hydroxylases, the key enzymes of collagen biosynthesis.” Matrix Biology, vol. 33, 2014, pp. 35–43.
3. National Library of Medicine. “Osteogenesis Imperfecta.” ghr.nlm.nih.gov.
4. NCBI. “COL1A1 collagen type I alpha 1 chain [Homo sapiens (human)].” ncbi.nlm.nih.gov.
5. Uniprot Consortium. “COL1A1_HUMAN.” UniProtKB, accession P02452. uniprot.org.
6. FDA. “Guidance for Industry: Use of Biomaterials in Medical Devices.” fda.gov.