透明质酸在药物研发中的应用

赵 玥，程禄萍，谢保平

（1.赣南医学院药学院2018级本科生；2.赣南医学院心脑血管疾病防治教育部重点实验室，江西 赣州 341000）

透明质酸（Hyaluronic acid，HA）是由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺组成的高级多糖，在细胞质内合成，作为细胞外基质（Extracellular matrix，ECM）的组成部分运输到细胞表面［1］。具有良好的生物相容性、无毒性、非免疫原性、生物降解性，可与细胞表面特定受体结合，在眼睛、关节和心脏瓣膜中含量丰富，是一种强大的抗氧化剂［2］。有研究表明不同分子量的HA 具有不同的细胞活性，高分子量HA（＞1 450 kDa）抑制细胞吞噬作用，低分子量HA（＜450 kDa）上调基质金属蛋白酶基因、炎症因子和血管生成因子的表达［1，3］，HA 分子量和细胞功能的相互关系在癌症中尤为重要［4］。此外，HA 在胚胎发育、干细胞分化、伤口愈合和癌症进展等方面扮演了重要的角色，广泛应用于生物医学研究和临床应用，包括3D 打印生物材料、骨关节炎手术、药物载体、靶向给药等［1］。JONG A 等［5］发现HA 受体CD44在上皮细胞、造血细胞和神经细胞表面低水平表达，但在许多肿瘤细胞中过表达，提示HA 可作为肿瘤细胞靶向给药的载体。本文综述了HA 及其衍生物在药物载体、药物筛选和靶向给药中的应用，为HA在药物研发和临床治疗中的应用提供参考。

1 HA及其衍生物在载药系统中的应用

HA 含有大量的羧基和羟基，在水溶液中能形成分子内和分子间氢键，具有强大的保水作用，可结合自身400倍以上的水，从而增加药物的溶解度。此外，HA 具有良好的生物相容性和降解性。HA 及其衍生物可作为药物的缓释载体，增加药物的摄取、靶向肿瘤药物、延缓药物释放和延长药效等多方面的作用，可用于递送蛋白质、核酸和小分子化合物等药物［6-7］。

1.1 HA 作为核酸类药物的载药系统阳离子聚合物常作为核酸类药物的传递载体，阳离子聚合物可以通过电荷作用提高核酸类药物的稳定性并穿透细胞膜，从而避免核酸类药物在体内的降解［8］。但阳离子聚合物存在靶向性差、细胞毒性高、转染率低等缺点。因此，基于HA 及其衍生物与核酸类药物形成的靶向载药系统引起了广泛关注。SHOHAM N 等［9］发 现，透 明 质 酸- 己 二 酸 二 肼（Adipic acid dihydrazide，ADH）水凝胶可以保护DNA 免 受 酶 降 解。 YAO J 等［10］用 聚 醚 酰 亚 胺（Polyetherimide，PEI）与HA 连接形成HAP 衍生物，并将HAP 与DNA 连接形成HAP/DNA 复合物，与PEI/DNA 复合物相比，HAP/DNA 复合物对核酸酶的保护作用更好，更好地使DNA 从复合物中分离，且细胞毒性较低，转染效率更高。ZHANG W 等［11］发现，HA 修饰壳聚糖纳米粒（CS NPs-HA）上加载Cy3标记的siRNA（sCS NPs-HA）显著抑制非小细胞肺癌A549细胞的增殖和Bcl2基因的表达，体内实验结果表明，sCS NPs-HA 可将更多的siRNA 靶向传递给肿瘤细胞。LEITE NASCIMENTO T 等［12］研究表明，HA脂肪簇与siRNA形成的复合物可以很好地靶向小鼠肺癌模型，将siRNA 传递到肿瘤病灶，提示HA 和HA 衍生物可作为良好的靶向传递核酸类药物的载体，并应用到各种疾病的治疗中［13］。

1.2 HA 作为蛋白质和多肽类药物的载药系统HA 作为ECM 的重要组成成分，具有良好的生物相容性，HA 的每条单链都可以与不同数量的肽链分子结合［14］。此外，有研究表明，HA 水凝胶可以延长蛋白质药物的释放时间，并达到缓释和控释的效果［15］。DING J 等［16］研究发现，利用真空干燥的聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）交联透明质酸-半胱氨酸（HA-Cym）作为药物不渗透的衬底层，可实现可控的单向胰岛素释放。SURENDRAKUMAR K 等［17］报道，与喷雾干燥的纯胰岛素相比，含HA 的胰岛素制剂（10%w/w）可延长药物平均停留时间（Mean residence time，MRT）和半衰期t1/2，提示基于HA 的干粉给药系统在肺控制胰岛素释放中具有广泛的应用前景，并可能改变胰岛素的给药方式。TAN H等［18］用N-琥珀酰壳聚糖（SCS）和醛透明质酸（AHA）为基础，与葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶共价结合形成可降解水凝胶，且胰岛素和水凝胶结合后形成一个更紧密的网络结构，在PBS 缓冲液中，8 h 胰岛素释放量约10.8%，提示通过HA 水凝胶网络的膨胀，胰岛素的成脂因子可以通过可控的方式被释放到局部微环境中，延长其半衰期。MESSAGER L 等［19］报道，HA 与甲基丙烯酸酯形成的纳米凝胶具有良好的生物相容性、储存稳定性和可降解性，在纳米凝胶中装载胰岛素，胰岛素的释放具有pH 依赖性。综上，HA 及其衍生物可作为蛋白质类和多肽类药物的载体，具有延长半衰期，达到缓释和控释的效果。

1.3 HA 及其衍生物作为小分子化合物的载药系统临床上用于疾病治疗的小分子化合物种类繁多，且每一个小分子化合物的生物利用度、不良反应和疗效各不相同。XIE J 等［20］通过体外皮肤渗透实验证实，透明质酸的醇质体罗丹明B（HA-ES-RB）聚合物的渗透效果优于醇质体罗丹明B（ES-RB），荧光显微镜图像显示，HA-ES-RB 可渗透到真皮的最深处，且HA-ES 给药体系对正常细胞无细胞毒性，具有良好的生物相容性，提示HA-ES 是一个良好的经皮载药系统。CARTON F 等［21］报道，HA 与聚精氨酸的聚合物纳米粒子包封的戊烷磺酸对肺癌细胞系（A549）和乳腺癌细胞系（MDA-MB-231）的细胞毒性强于游离的戊烷磺酸。KIM Y 等［22］研究发现，HA 微针（MNs）显著增强了抗坏血酸磷酸镁（MAP）在体外经皮进入和穿过皮肤的传递深度。BHUJBAL S 等［23］研究发现，HA 二甲双胍纳米颗粒可迅速释放药物，1 h 内释放量＞50%，离体通透性研究表明，溶液中的二甲双胍高于纳米颗粒通过山羊肠膜的通透性，且HA 二甲双胍纳米颗粒在治疗浓度下对Caco-2 细胞无毒。综上，HA 及其衍生物作为小分子化合物口服给药和经皮给药的药物传递系统具有潜在价值。

2 HA及其衍生物在靶向载药系统中的应用

HA 及其衍生物特异性结合细胞表面多个受体，用于靶向给药，其中，HA 与CD44 的配体-受体结合受到广泛的关注，特别是在肿瘤的发生发展、转移和治疗中［1，24］。

2.1 HA 及其衍生物靶向肿瘤细胞的载药系统越来越多的证据表明CD44 是HA 结合的天然靶点［1，25-26］。CD44 是一种广泛存在于哺乳动物细胞表面的糖蛋白，在许多生物学功能中发挥着重要作用，特别是在各种实体瘤细胞中表达量显著增高［5，18］。LI YF 等［27］报道，用HA 修饰的聚胺胺树突状分子G5包裹的金纳米颗粒传递METase基因能显著抑制CD44+胃癌细胞的增殖和成瘤性。AGRAWAL S 等［28］报道，HA包裹的拉帕替尼纳米颗粒（LPT-HA-NCs）抗肿瘤活性优于其对应的拉帕替尼纳米颗粒和游离拉帕替尼，且LPT-HA-NCs 在三阴性乳腺癌小鼠模型中作用时间延长，显著阻滞肿瘤生长，提高动物整体生存几率。EDELMAN R 等［29］研究发现，HA-BSA 复合物可以稳定结合紫杉醇，防止紫杉醇聚集和结晶，从而增强紫杉醇对CD44+肿瘤细胞的细胞毒性。SPADEA A 等［30］报道，CD44 亚型CD44s和CD44v在人真皮成纤维细胞和各种癌细胞中的表达存在显著性差异，且当细胞主要表达CD44s 时，CD44s 表达和HA 的摄取呈正相关，提示HA 作为癌症靶向给药系统也存在特异性。因此，利用HA 天然靶向CD44 的特点可以显著增强抗肿瘤药物的特异性，延长作用时间，扩大抗肿瘤药物适应症，在临床上具有广阔的应用前景。

2.2 HA 及其衍生物靶向炎症和免疫细胞的载药系统HA 是细胞外基质的主要成分，在组织再生过程中扮演重要角色。HA 通过特定的HA 受体、炎症反应、细胞迁移和血管生成调节伤口愈合，且大多数HA 的性质取决于其分子大小，高分子量HA 具有抗炎和免疫抑制的特性，而低分子量HA 是一种有效的促炎因子［31］。CHEN LH等［32］报道HA在皮肤修复、癌症预后、伤口愈合、组织再生、抗炎、免疫调节等方面具有重要的生物医学意义，且关节内注射HA 可靶向治疗膝关节炎、骨关节炎和半月板肿胀等炎症，减轻关节疼痛、滑膜炎症和关节肿胀的症状。LI L 等［33］研究发现，在痛风性关节炎大鼠模型中，较高剂量的N-丁酰化透明质酸（BHA，50 mg）具有较强的抗炎作用，可降低关节肿胀程度，分别降低 血 清IL-1、IL-8、IFN- γ、MCP-1 水 平（5.56%、6.55%、15.58% 和33.18%）；在高尿酸血症小鼠模型中，BHA（10 µg）可显著降低血清和肝脏ROS水平（14.87% 和8.04%），上调肝脏SOD 水平12.77%，从而充分发挥抗氧化作用。CHEN RF 等［34］报道，高分子量HA 加聚维酮碘复合敷料显著促进糖尿病伤口愈合，增加新生血管和组织再生，抑制炎症反应。

此外，HA 常作为炎症治疗中的靶向给药载体。YANG H 等［35］利用HA 将雷公藤红素传递到关节腔内，延长雷公藤红素在关节腔内作用时间，提高生物利用度，且抗关节炎作用也明显优于单独使用雷公藤红素。KOSOVRASTI VY 等［36］报道，靶向CD44的HA 纳米颗粒可以选择性地将siTNF-α 递送至腹膜巨噬细胞，降低腹膜液和血清中促炎细胞因子含量。FARAJZADEH R 等［37］研究发现，HA 聚乳酸纳米颗粒（HA-PLA NP）包裹的姜黄素显著降低iNOS-2的水平，上调Arg-1 的表达，抑制LPS/IFN-γ 刺激巨噬细胞的炎症，减少促炎细胞因子的分泌，提示CD44 靶向HA-PLA NP 的姜黄素制剂可能是治疗炎性疾病有前途的载药系统。综上，高分子量的HA不仅具有抗炎和免疫抑制作用，也可作为炎性疾病治疗中的靶向给药载体和外用抗炎药物的给药载体。

3 HA及其衍生物在药物筛选中的应用

HA 作为ECM 的主要成分，常作为3D 细胞培养和3D 生物打印的原材料［38-39］。POLDERVAART MT等［40］研究了甲基丙烯酸透明质酸（MeHA）凝胶在骨组织工程和3D生物打印中的应用，发现人骨髓间充质 基 质 细 胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）在MeHA 水凝胶中培养21 天的存活率为64.4%，提示MeHA 水凝胶适用于3D 生物打印。 THOMAS M等［41］报道，3D 生物打印为工程化大脑组织提供了一种简化的解决方案，用于药物高通量筛选或组织工程研究。MA X 等［42］报道，常见的3D 生物打印材料包括天然来源和人工合成的两种，天然来源的有胶原蛋白、明胶、纤维蛋白、HA、丝蛋白、壳聚糖等，人工合成的包含聚乳酸（PLA）和聚乳酸- 乙醇酸（PLGA）。

由于不同物种的细胞功能存在差异，且传统的动物模型在药物筛选中无法模拟体内环境，从而造成实验结果不可靠。因此，基于个体化细胞类型的有效体外人体器官模型被认为是一种研究疾病机制和药物筛选很有前途的方法，如生物打印肝脏模型、心脏组织、仿生血管化构造和癌症模型，这些模型可用于医学研究、药物发现、毒理学和其他临床前研究［43］。NIE J 等［44］报道，3D 生物打印构建疾病模型可以更好地评估药物疗效，且该模型对于药物开发的不同阶段，包括药物早期筛选、临床一期药物试验、药物精准应用、新药试验和个性化药物筛选有重要价值。NING E 等［45］采用双交联藻酸盐生物墨水对临床相关菌种大肠杆菌、金黄色葡萄球菌（MSSA）、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和铜绿假单胞菌进行3D生物打印，形成成熟的细菌生物膜，并检测其在抗菌实验中的应用。EKERDT BL等［43］报道HA 和N-异丙烯酰胺组成的3D 生物材料具有热响应特性，在低温下，可以轻松地与细胞混合，当温度达37 °C 时细胞在水凝胶中物理包封，在冷却和液化后恢复细胞，从而维持人类多能干细胞（hPSC）多能性的同时，支持hPSC在较长的细胞培养期内增殖，发挥hPSC在药物筛选和细胞替代疗法中的作用。因此，基于HA 是EMC 重要组成部分和无毒无害的特性，用HA 及其衍生物作为3D 打印制造的模型器官或芯片在药物筛选中具有广阔的应用前景。

综上所述，HA 含有大量的羧基和羟基，可通过酯化反应、酸性反应、脱羧反应和氢键等与药物分子结合形成稳定的载药系统。此外，HA 可在水溶液中形成分子内和分子间氢键，具有强大的保水作用，结合自身400 倍以上的水，增加药物的溶解度，并通过HA 靶向结合细胞表面的CD44 受体的现象实现HA 载药系统靶向给药的可能，其次作为3D 生物打印的支持物和人造器官的原材料，促进人造器官在临床和基础研究中的应用。然而，HA 作为天然靶向CD44+细胞的特点在药物研发中的应用较为滞后，尚未有药物进入临床试验研究，这可能与HA作为药物载体与CD44+细胞接触后药物释放有关。因此，围绕HA 衍生物的改造和HA 衍生物在药物研发和3D生物打印的研究将成为热点。