透明质酸或称透明质酸在88年前被发现，世界各地的许多科学家都在研究这个有趣的多面分子。这篇文章提供了一个简短的概述在伤口愈合，血管生成，药物输送，组织工程，生物医学应用在眼科，眼病理/外科，骨重塑/软骨修复，癌症治疗的领域。由于其特殊的流变性，吸湿性和粘弹性的性质，几十年来，HA被认为只是许多组织的结构组成部分。这种发生在细胞膜表面的多糖的生物合成、几种特定细胞受体的发现、小HA寡糖刺激血管生成的特性、HA在某些细胞类型中启动信号转导的能力，都极大地改变了人们对该分子作用的看法。此外，HA在皮肤修复、关节和眼部病理、癌症治疗等多个领域的临床应用正在不断扩大。这种巨大的医学潜力刺激了对该分子进行化学修饰的研究，以期获得新的产物和衍生物。对该分子进行轻微的化学修饰，如其酯化，使生产具有高度生物相容性的材料成为可能，如凝胶、纱布、非织造网、膜和管。这些生物材料可以作为抗粘创面覆盖物和用作支架在体外而且在活的有机体内组织工程，如皮肤，软骨，血管。此外，HA与胶原蛋白、弹性蛋白、乳糖改性壳聚糖、PLGA和聚l -赖氨酸等其他物质的结合，使新的化合物和支架的配方可用于多种临床应用。
1934年，卡尔·迈耶和约翰·帕尔默从牛眼睛[1]的玻璃体中分离出玻尿酸。35年后，由于1970年洛朗的工作，人们才得以了解它的结构。透明质酸(HA)是一种长链的不支化多糖，由重复的d -葡萄糖醛酸和双糖组成N-乙酰d -葡萄糖胺，分子量(MW)在0,1 x 10之间6可达2 × 107哒。它在眼睛的玻璃体和脐带中达到很高的浓度。在这个胚胎区，该分子的分子量达到了与其他器官和组织相比的最高值。因为在生理pH值下，分子的羧基被解离并能吸引阳离子，如Na+， Balazs提出了“透明质酸”的名称，作为“透明质酸”[4]的替代品。这种分子在自然界中广泛分布，存在于从细菌到所有脊椎动物的许多生物体内。它在成人软结缔组织的细胞外基质(ECM)中起着重要作用，ECM调节水合作用、组织内稳态和抵抗压力，如关节软骨。在这个组织中，HA与许多蛋白多糖相互作用，产生大分子复合材料，反过来负责ECM结构的稳定。高MW HA在关节腔内起着重要的润滑剂作用。除了这些机械特性外，HA还可以发挥更复杂的作用，在大多数细胞周围形成细胞外膜，充当信号分子，调节细胞粘附、迁移和增殖。它也存在于各种细胞质结构的细胞内[5]。考虑到所有这些生物学和结构特性，血凝素在许多生理和病理条件下起着关键作用。
透明质酸的生物相容性、粘弹性和生理活性使其成为多种临床应用的理想物质，如眼科、风湿病和皮肤科。此外，与HA的苯甲醇酯化生成生物相容性和生物可降解的HA基生物材料，其形式包括膜、无纺布组织[6,7]、管和纱，广泛用于伤口覆盖和人体组织的体外重建，如真皮层、表皮、血管化皮肤和软骨。
1997年Weigel等人证明HA与其他糖胺聚糖不同，它不是在高尔基体中合成的，而是在细胞膜的内侧由三种不同的合成酶[8]合成的，即合成酶1 (HAS 1)、合成酶2 (HAS 2)和合成酶3 (HAS 3)[9]。合成后，HA链被转移到细胞外空间。在形态发生和某些病理条件下，这三种酶的表达不同，并产生具有不同分子量的HA[10,11]。
HA的降解时间从皮肤中的10-25小时到血液中的几分钟不等，通过存在于淋巴结和肝脏[12]中的巨噬细胞降解。6种不同的透明质酸酶存在于人体细胞内部和表面，而在组织中，炎症过程中由活性氧(ROS)、超氧化物、一氧化氮[13]降解。
分子的数量和分子量取决于HA合成和降解之间的平衡。由此产生的不同分子大小可以决定不同的，有时甚至相反的生物作用[14]。高分子量HA具有抗炎作用，低分子量HA具有促炎作用，并在伤口愈合过程中促进血管生成和组织修复[15,16]。尽管作用机制尚不清楚，但与低MW不同的是，高MW- ha通过减缓细胞活力[17]抑制肿瘤进展。
HA的一些细胞受体，即所谓的透明质黏蛋白，已经被发现[18,19]，并且它们的数量在不断增加。CD44(分化簇44)，RHAMM或CD168(透明质酸介导的运动受体)，LYVE1(淋巴管内皮受体1)是特定的细胞膜蛋白，而其他受体是存在于细胞外基质中的分子，如aggrecan和几种蛋白多糖。HA与透明质黏附物的结合可促进细胞增殖、分化和运动等多种活性。CD44和RHAMM是可引发不同细胞反应的主要细胞膜受体[20]。cd44是人类所有细胞类型中被研究最多的受体。它是一种由单一基因表达的糖蛋白，通过选择性剪接产生具有不同功能和性质的多种异构体[21,22]。HA受体RHAMM，也被称为CD168，通过与细胞骨架蛋白[23]、激酶蛋白复合物[24,25]、线粒体和微管[26,27]相互作用，促进细胞运动和迁移。透明质粘附素LYVE1介导白细胞进入淋巴管和HA从组织到淋巴的运输[28,29]。
骨关节病与软骨再生
骨关节病(OA)是影响中老年人口的最普遍的疾病之一，它影响膝盖、髋关节和几个小关节。非甾体类药物(NSAIDs)和皮质类固醇是最常用的缓解疼痛的药物，尽管它们可能会引起不良的副作用。出于这个原因，一些研究致力于寻找替代疗法，1971年，巴拉兹提出用黏液补充HA来治疗人和马的骨关节炎[30]。补充透明质酸的基本原理是恢复骨性关节炎中滑液丢失的流变特性，由于活性氧(ROS)的水解作用，该分子的分子量降低，进而导致液体粘度降低和软骨侵蚀。在过去的四十年中，已经提出了一些HA制剂来保护关节软骨和减轻疼痛，如Synvisc [31,32]， Hyalgan[33,34]。两种HA制剂都需要多次注射，且有效，无副作用。此外，它们的持续时间更长，提示它们不仅恢复了滑膜液的流变功能，而且可能与细胞膜受体相互作用。正如Brun等人所证明的那样。Hyalgan能够保护软骨细胞免受ROS损伤，恢复其生存和增殖[35]。这些作用是由HA与CD44透明质蛋白的相互作用介导的。为了避免关节内反复注射，提出了一种十六烷基酰胺衍生物的HA (HYADD)关节内给药[36]。
此外，为了提高治疗效果，最近提出了一种新的HA配方。即HA和乳糖改性壳聚糖(Chitlac®)的混合物。这种新化合物已经在人类软骨细胞培养和动物实验诱导骨关节病中进行了测试，结果令人鼓舞，促进了临床试验[37,38]。
骨性关节炎的进展和机械损伤是引起全层软骨缺损的主要原因。唯一有效的治疗这种病理条件是代表复杂的外科手术自体软骨细胞移植。另一种可能性是使用三维生物可降解支架，通过HA与苯甲醇的完全酯化(hyaf -11®，Fidia，意大利)以无纺网的形式获得。通过简单的软骨活检获得的人类软骨细胞成功地在这些支架中培养并产生软骨组织[39-40]。这在体外然后可以将重建的软骨移植到关节损伤区域，一些临床研究表明，移植后的新组织进行再生，形成透明软骨[41-44]。
皮肤
透明质酸具有吸湿和粘弹性的特性，在人体最大的器官皮肤中起着重要作用。它与创面修复有关，但其影响机制尚不清楚[45-47]。一些临床研究表明，在动物实验模型和人体中，HA在促进伤口修复方面具有积极作用[48-50]。血凝素在伤口修复的增殖和炎症阶段发挥重要作用[51-53]。近年来，基于ha的生物材料(hyaf -11)在组织工程中的应用受到了广泛的关注。这些产品已被证明具有生物相容性、可生物降解和无毒[54]。这些生物材料可以与成纤维细胞和角质形成细胞相结合来获得在体外重建皮肤替代物。真皮样组织通过播种带有真皮成纤维细胞的无纺布网获得[55-57]。透明质酸膜被用作伤口和烧伤中培养的角质形成细胞的输送系统[58-62]。为了提供在体外Tonello和同事通过Hyaff网格种植成纤维细胞和内皮细胞获得了内皮化的皮肤替代物[63,64]。近年来对壳聚糖、玉米秸秆和蜂胶合成的HA基水凝胶和纳米纤维支架进行了研究[65-67]。其他有趣的材料被提出用于伤口愈合，如甲基丙烯酸酯明胶和含有脂肪来源干细胞的甲基丙烯酸酯裂孔尿酸[68]。
血管新生和血管组织
West和Kumar在1989年首次证明低分子量HA刺激胚胎组织的血管生成[69]。此外，HA还被证明在促进中性粒细胞和巨噬细胞的招募和激活方面具有活性，而中性粒细胞和巨噬细胞又会分泌血管生成因子[70]。由于在血管生成中的作用，HA衍生的生物材料(hyaf -11)以小管形式被用作小直径的血管导管。这些管状结构被移植到大鼠腹主动脉[71-73]、大鼠腔静脉和猪颈动脉中作为临时可吸收导管，以促进血管壁的完全再生[74,75]。实验研究表明，制备生物可降解血管导管用于小血管的体内再生和重建是可行的。
组织学、免疫组化和超结构分析显示，植入4个月后，管腔表面完全内皮化，血管壁连续再生，生物材料生物降解。这时新的血管还在继续连接动脉残端。除了监测猪颈动脉移植物血管的通畅性外，在1个月和5个月后进行功能性双相扫描研究，以确认假体和新重建的动脉道内血流正常[75]。
由于HA具有较高的血液相容性，因此对其与其他材料(如壳聚糖基膜)的结合进行了进一步的研究。当这些复合结构与间充质干细胞一起播种时，表现出良好的生物相容性，并诱导成纤维细胞分化[76]。另一种被用作心血管替代品的有前途的好材料是经HA处理的膨胀聚四氟乙烯[77]。涂有HA的钛微带也被用于内皮细胞和平滑肌细胞的共培养，取得了令人满意的结果[78]。低分子量HA衍生物可以与水凝胶结合，用于制造致密组织在体外具有良好的促进内皮细胞运动能力[79]。HA已被证明在缺血治疗中发挥潜在作用，因为它可以重塑组织微环境，促进干细胞向血管谱系分化，从而证实了其可能用于细胞基础治疗[80]。
癌症治疗
抗肿瘤药物与血凝素的结合似乎是一个潜在的成功工具，希望在不久的将来一些技术困难将得到解决。HA、透明质酸合成酶(HAS)和HA受体在癌细胞中的作用是复杂的相互作用[81]。考虑到细胞CD44受体能够内化HA及其相关纳米颗粒或脂质体，HA具有较高的生物相容性和生物降解性，因此被认为是最佳的药物载体[82-86]。对HAS和透明质蛋白在癌症生物学中的作用的进一步研究可能会改善它们的治疗用途。事实上，许多实体肿瘤的癌细胞会合成大量的血凝素，从而增加癌症的进展和转移[87]。已有研究表明，HAS2过表达可诱导多种肿瘤的进展和化疗耐药[88-94]。另一方面，在某些肿瘤中，抑制HAS导致抑制转移[95]。透明质酸酶过表达导致的HA碎裂可能是癌症进展的原因[96,97]。然而，HA、透明质酸酶和HA联酶在癌症中的作用存在争议，尽管对这些分子的研究支持它们在癌症治疗中的潜在应用，但迄今为止临床试验很少。
Ophtalmology
眼睛玻璃体是梅耶和帕尔默在1934年第一次提取透明质酸的区域。它也存在于结膜，泪腺和角膜上皮。由于在眼科手术过程中需要补充丢失的玻璃体液，1980年Balazs提出HA用于粘手术补充，以保持足够的手术空间和防止机械创伤[98]。1982年，首款用于滑石应用的HA衍生物是Healon®[99]。这种制剂在许多不同的眼科手术中被广泛用作治疗工具。后来，其他新的粘性眼科粘胶外科器械被提出用于角膜保护和眼压[100]。对于干眼症的治疗，透明质酸水溶液滴剂也被用作眼部润滑剂，用于保护角膜表面[101]。最近，眼科有更多的HA制剂，如Systane®，OptiveFusion™。这些新产品的安全性和有效性已经被一些人证明在活的有机体内而且在体外研究(102 - 105)。此外，由于接触镜具有延长润湿性的能力，低MW的透明质酸溶液最近被用于改善其水化效果[106,107]。血凝素也被用作眼科药物(如抗生素和消炎药)的外用给药物质。事实上，HA与药物联合使用时能够减缓给药时间，还可以调节剂量[108,109]。HA作为给药分子已被证实的特性为进一步研究药物应用提供了可能。
脂肪组织
一些作者已经研究了基于ha的支架在脂肪组织工程中的应用[110]。体外重建脂肪对真皮缺损的修复具有重要的应用价值。几种透明质酸材料已被用于植入脂肪细胞培养在活的有机体内[111]。Tan等人将热反应性HA凝胶注入无腺小鼠，并显示凝胶原位形成[112]。一般情况下，观察到血凝素的快速吸收在活的有机体内培养脂肪细胞的植入[113,114]。相反，在患者中移植ha基(hyaf -11®)前脂肪细胞种子支架时，移植物存活时间更长，可达16周[115]。Fan等人证实，当HA水凝胶功能化获得地塞米松释放时，会刺激脂肪细胞生长[116]。沿着这条研究路线，开发了磁性HA纳米球，以释放地塞米松和在体外研究表明，增加脂肪细胞的活力[117]。其他的支架也被用于脂肪组织在体外重建。含有交联HA支架的胶原蛋白与脂肪细胞结合能够诱导脂肪蛋白酶基因表达的增加[118]。此外，还研究了由弹性蛋白和胶原蛋白组合而成的支架，结果显示其具有良好的细胞增殖和粘附性[119]。将植入脂肪干细胞(ASC)的明胶- ha支架植入小鼠和猪模型，并与脱细胞凝胶进行比较。与细胞支架相比，含有凝胶的脂肪细胞中瘦素P2、PPAR-g和LPL的特异性基因表达量更高[120]。从本节所引用的所有工作中可以明显看出，HA已经被单独测试或与其他材料联合用于脂肪组织重建，目的是促进脂肪重建用于皮肤缺损的矫正。
周围神经
HA在周围神经组织工程中的广泛应用是另一个有趣的研究领域。特别是HA水凝胶被证明是一种提高神经元前体存活率和增殖的良好材料，有可能在神经再生和中枢神经系统治疗中发挥作用[121-126]。此外，HA水凝胶能够促进神经细胞前体的增殖和分化，为神经退行性疾病的治疗开辟了新的途径[127-129]。此外，壳聚糖和透明质酸以导管形式[130]和可注射水凝胶的形式被成功用于周围神经再生[131]。其他生物可降解聚合物，如PLGA和聚l -赖氨酸已与HA结合，以获得用于轴突生长的药物控制输送的复合材料在体外而且在活的有机体内[132133]。Wang为了减少神经组织组织工程领域的炎症反应，研究了更复杂的结构[134]。作者将HA -聚(3,4-乙二氧噻吩)/壳聚糖/明胶纳米颗粒掺杂到壳聚糖-明胶基质中，制备了多孔支架。这种结构的生物学特性支持神经组织再生过程中的粘附、增殖和突触生长。
综上所述，我们可以合理地估计，以水凝胶形式或与其他物质结合使用的透明质酸在神经组织工程中也会发挥重要和有前途的作用。
在这篇文章中，我们从HA的发现到最新的化学和生物学新发现，简要概述了HA的几个方面。这种分子被用于一些临床应用，如眼科手术，骨关节病，伤口修复。通过对其进行化学改性，得到了几种新产物。Synvisc®，Hyalgan®，Hyadd®，art - duo®，Healon®，Systane®，OptiveFusion™，hyff -11®，各种与HA相关的水凝胶是HA的主要配方和衍生物，广泛用于多种病理的治疗和皮肤，软骨，小管径血管，周围神经导管的组织工程。然而，这些新一代的生物相容性和生物可吸收产品需要进一步开发，以提高其治疗性能。药物释放、癌症治疗、组织水合作用和皮肤增强是基于HA的创新药物配方应用的主要候选者。
引用:Abatangelo G, Brun P, Avruscio GP, Vindigni V(2022)玻尿酸:一种具有新视角的旧分子。血管血管外科7,085。
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