甲壳素是节肢动物外骨骼的主要成分，是一种高可利用性的天然聚合物，其最重要的衍生物壳聚糖，由β-1,4-连接的2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖(去乙酰化的D-氨基)和N-乙酰-D-氨基组成。糖修饰壳聚糖作为一种生物可降解、生物相容性强、无抗原性、无毒的高分子材料在体外已得到广泛应用。

图1. 壳聚糖衍生物示例

壳聚糖及其衍生物生物活性

        抗菌活性

        如图2所示，壳聚糖及其衍生物通过以下几种机理抑制细菌：（1）在pH < 6.5时形成的多阳离子结构可以增加膜的渗透性，并在与微生物细胞表面的带负电荷分子相互作用后诱导其裂解。（2）带正电荷的壳聚糖可以结合微生物DNA，并通过捕获复制和转录来杀死细胞。（3）通过对细胞质中电负性粒子的絮凝作用，干扰细菌细胞的生理活动。（4）壳聚糖及其衍生物可能通过螯合微生物必需营养素的微量元素来抑制微生物的生长。壳聚糖经改性后，其抗菌活性显著提高。例如，用半乳糖和甘露糖修饰壳聚糖，可提高化合物的抗菌活性。

图2. 壳聚糖及其衍生物的抗菌机理示意图

        抗氧化活性

        壳聚糖具有良好的自由基清除活性是由于其活性羟基和氨基的存在。通过清除自由基，提高细胞抗氧化酶的活性。糖修饰壳聚糖复合物的抗氧化活性大都优于单独的糖类或壳聚糖，壳聚糖结构中基团的类型决定了其抗氧化能力和清除自由基的类型。

        抗肿瘤活性

        如图3所示，壳聚糖及其衍生物可以抑制肿瘤细胞的增殖并诱导细胞凋亡，同时激活免疫系统靶向肿瘤细胞。另外，壳聚糖及其衍生物可间接破坏肿瘤细胞，通过调节免疫细胞的生物活性，增加宿主免疫系统对肿瘤细胞的识别和破坏的机会。

图3. 壳聚糖及其衍生物的抗肿瘤机制示意图

糖修饰壳聚糖具有以下几种主要应用

        基因传递

        壳聚糖的基因传递的主要制约因素之一是系统的转染效率不足。糖修饰的优势有成本低、无毒、易获得，并且可以增强壳聚糖与靶细胞或器官的结合特异性，与蛋白质和多肽相比，糖更稳定。通过糖修饰，受体介导的识别能力可以引入壳聚糖基因载体以获得细胞特异性。

        药物输送

        目前，全身给药方式易出现副作用。因此，需要控制治疗药物在体内的释放或靶向特定位置。在肝癌方面，半乳糖修饰的壳聚糖可以通过与糖蛋白受体相互作用靶向肝癌细胞，除此之外，半乳糖修饰的壳聚糖还可用于提高水不溶性药物的生物利用度。如图4所示，利用尿素反应将壳聚糖与乳酸酸偶联，然后将多柔比星和半乳糖化壳聚糖负载在氧化石墨烯载体上，可以特异性和高效地靶向肝癌细胞。

图4. 半乳糖基化壳聚糖和半乳糖基化壳聚糖/氧化石墨烯/阿霉素(GC-GO-DOX)纳米颗粒的化学合成示意图

        经皮免疫

        经皮免疫传递的抗原不会在肝脏或胃肠道途径中降解。为了提高稳定性和皮肤渗透效率，由于透明质酸在皮肤中含量很高，半乳糖化壳聚糖可以补充透明质酸作为透皮载体。

        水凝胶

        对壳聚糖进行化学改性，可以提高壳聚糖的吸附能力和机械阻力。例如，为了改善肝细胞的功能行为，可以在海藻酸盐微胶囊骨架中加入胶原蛋白和半乳糖化壳聚糖。根据已有的研究表明，制备的水凝胶具有作为肝脏再生或构建用于药物筛选的人工肝脏的潜力。

        组织工程

        壳聚糖是一种很有前途的三维支架细胞外基质。当用作植入物时，由2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖(GlcNH₂)残基和随机分布的N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)组成的天然结构几乎不会引起免疫炎症反应。实验研究表明，半乳糖基部分能够促进原始细胞形态和生物学特性的恢复。

        抗炎、抗皮肤衰老

        成纤维细胞通过产生细胞因子和分解代谢酶来靶向胶原蛋白和弹性蛋白，从而产生透明质酸混合物，以延缓皮肤衰老。壳聚糖及其衍生物能够提高透明质酸的持续治疗活性，抑制巨噬细胞诱导的炎症、活性氧的产生和金属蛋白酶的表达，从而达到抗炎、抗皮肤老化的作用。

        伤口敷料和愈合

        壳聚糖在典型伤口条件下具有良好的阳离子多电解质活性，可抑制炎症和微生物生长。在心血管手术过程中，带正电荷的壳聚糖通过直接静电相互作用与带负电荷的红细胞膜结合，以凝结肝素化的血液。

        总结

        当与其他化合物结合时，糖修饰壳聚糖可用于许多生物医学和制药应用。除了功能类型外，要设计一种有前途的糖修饰壳聚糖基复合物，还必须仔细研究其使用的具体生理条件。因此，未来的研究应着眼于设计靶向器官或细胞特异性的糖修饰壳聚糖基生物材料，并考虑机体所需的生理条件。

作者：王维雯

审核：李全才，吕友晶

编辑：邵萌

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