糖胶聚糖(GAGs)是线性多糖，由重复的二糖单位(一个氨基糖和一个糖醛酸残基组成)构成。其中，透明质酸(HA)与其他GAGs不同，组成中无硫酸基。HA具有广泛的科学价值，应用于不同的生物医学领域。HA在生理条件下有多种不同的形式，有酸的形式或盐的形式如透明质酸钠，故将其命名为hyaluronan，本文将其简称为HA。
此生物高聚物广泛分布于自然界，已证实其于脊椎动物的软组织(如关节、滑液、皮肤、眼玻璃体、脐带、鸡冠)，海藻，软体动物，培育的真核生物细胞系及一些原核生物中存在。HA是脊椎动物细胞外基质的主要组成成分，是人眼玻璃体(0.1 mg／mL)和关节滑液(3～4 rag／mL)的首要成分。人体内含HA最多的组织是皮肤，约为7～8 g，约占成人体内HA总量的50％。胎儿在发育的特定阶段，被厚的HA层包裹，脐带中含有丰富的HA(4 rag／mL)。鸡冠作为特殊的皮肤段，其中HA的含量最高可达7.5 mmL，这使其成为工业提取HA的首选资源。
脊椎动物体内的HA具有多种不同的功能：皮肤中，保持水分；软骨中，联于蛋白聚糖，调节水和离子浓度，维系软骨组织的物理特性和细胞一底物间的相互作用。HA的生物效能与HA受体的结合有关，可诱导细胞增殖速率、细胞移动及血管形成的改变。在炎症、纤维化以及癌症等疾病过程中，发现过量的HA。有直接的证据证明，HA参与癌症的转移。
本文分析评价HA及其衍生物的生产工艺、理化特性和己确定或潜在的应用。1 HA的生产
HA的工业生产，主要有两种方法：从动物组织提取(如牛眼和鸡冠)：微生物大规模发酵。上述两种方法将在下面讨论。此外，最近的文献中报道了由新型的基因改造的微生物生产HA以及化学一酶法合成方法生产HA。
1.1传统的提取工艺
传统的HA生产是用溶剂从动物组织提取物中提取，然后由氯化十六烷基吡啶(CPC)沉淀得到。
最早1968年由Swann报道，生产工艺如下：(1)机械切片，获得小块的鸡冠； (2)乙醇洗涤(鸡冠1 kg中加入4L乙醇)，重复多次，直至乙醇液不显浑浊； (3)用水／氯仿的混台液提取(鸡冠2.5kg中加入10 L水及0.5 L氯仿)，搅拌至鸡冠溶胀： (4)过滤，滤液中加入氯化钠，氯仿提取； (5)离心，蛋白酶(链霉蛋白酶)酶解。
替代的方法：动物组织粗提取物经由表氯醇，三乙醇胺(ECTEOLA)色谱法提纯后，CPC分级分离。另外，在CPC(1％)沉淀前后，有报道用乙醇(1：3水／／,醇)多次乙醇沉淀。在这些方法中，HA沉淀后，用灭菌滤器过滤，最终配制成医疗器械和医药产品。HA纯化的收率超过90％(按糖醛酸计)。
然而，由于收集鸡冠，以及生产过程中提取纯化耗时耗力，导致HA价格昂贵。事实上，由于动物组织的HA复合于蛋白聚糖，且往往与HA降解酶共存，导致分离高纯度、高相对分子质量的HA较困难。而且，由动物组织提取的HA在医药上的应用面临跨物种病毒和其他外来剂污染的风险。因此，从上世纪80年代开始，微生物发酵法生产HA正逐步取代从动物组织中提取HA。
1.2 HA的生物技术生产
已知的可合成HA的细菌是A和C群链球菌(Streptococci)，革兰阳性菌如马链球菌(Steptococcusequi，一种马病原体)，类马链球菌(Streptococcusequisimilis，可以在不同种动物间传染)，化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes，人类病原体)，乳房链球菌(Streptococcus uber~，牛病原体)。这些B增；血性细菌在琼脂培养时，在细菌群周围出现黏稠半透明层，这可归因于HA的合成。
DeAngelis等人1998年报道出血性巴斯德菌(Pasteurellamultocida，一种革兰阴性病原菌)可以在其荚膜中制造HA。无论是链球菌还是巴斯德菌，HA荚膜均是一种毒性因子，可保护细菌，使免疫系统无法识别。此荚膜也可以保护细菌抵抗白细胞释放的活性氧化物。最后，HA英膜利用CD44介导的组织应答，帮助细菌通过上皮层。因此，HA荚膜在微生物致病性上，起到很大的作用。
兽疫链球菌(Streptococcus zooepidemicus)和出血性巴斯德菌通过特殊的与膜结合的糖基转移酶(HA合酶)作用于活性底物(核苷酸糖类)生成HA。近期，有研究者用出血性巴斯德菌HA合酶通过酶化学(chemoenzymatic)法合成HA，其中也涉及了获得确定的HA的可能性。目前工业生产工艺是基于诱变的链球菌发酵。
在细菌发酵生产HA的过程中，约5％～10％的碳被代谢。在兽疫链球菌发酵的生产中，通过~3CNMR研究表明，组成HA的D一葡糖醛酸和N一乙酰氨基葡糖分别由6，磷酸葡糖和6一磷酸果糖衍生而来。
合成1 mol HA--糖，需消耗5 mol核苷三磷酸(3ATP和2UTP)，2 tool葡萄糖和1mol乙酰辅酶A；同时产生2mol还原当量物(NADH)。由于在HA的生产过程中要消耗ATP生成NADH，所以ATP的水平以及细胞内的NADH在生物合成中起到关键作用。除了合成HA，也可生成组成细菌细胞壁的3种主要成分：肽聚糖、磷壁酸和细胞壁多糖抗原，这三种物质占细胞干重的20％。
1.2.1参与HA合成的酶HA合酶是合成HA的关键酶。自从1993年发现A群链球菌HA合酶的第一个基因编码，在其他菌类及真核细胞中，许多其他类似的HA合酶基因被确定。
1.2.2链球菌发酵链球菌是不形成孢子和非游动的细菌，光学显微镜下，呈现小球形或卵球形，外部环绕大范围的荚膜。通常情况下，HA荚膜是细胞体直径的1～3倍。从20世纪80年代初通过c群链球菌，特别是马链球菌马亚种和兽疫亚种发酵开始，HA已实现商业化生产。基于HA溶液的高黏度，发酵超过5～7 g／L的产物不实际。通常，多糖按消耗碳源计的收率约为0.05~0.1 g／g，多糖的Mr平均为(1-2)×10。报道的最大Mr是5.9×10。重要的发酵工艺。
1.3 HA的分离与提纯
HA在生物医学上的广泛应用，归结于下述特性：(1)高吸湿性；(2)黏弹性；(3)良好的生物相容性(4)非免疫原性； (5)降解产物安全。
1.HA保水性与其亲水的化学性质有关。由于分子链中羧基的存在，生理pH下(HApKa=2.9)，HA是高分子电解质；有水存在下，HA分子可溶胀1000倍形成水舍物。
2.HA的黏弹性是指HA水溶液的流变学行为，表现为凝胶的弹性及流体的黏性。HA溶液表现假塑性，在高切变速率下，溶液的黏度降低。HA医学应用基于切变表现稀薄行为，流变性与Mr、浓度以及环境条件如DH有关。
3.作为人体许多组织的组成物质，HA具有高的生物相容性，这是在生物医学领域应用必须具有的属性。 4.HA分子在所有物种和所有组织中具有相同的结构，因此免疫系统从不对其“警戒”。
5.HA在体内降解主要通过透明质酸酶催化水解，降解产物安全。皮肤中HA的半衰期约为24 h，服内HA的半衰期约为24,36 h，软骨中为1-3周，玻璃体中为70dt。
由于以上的突出优点，HA的开发及其商业化程度日趋加强。HA主要用于骨关节炎的治疗、化妆品、眼科学、美容医学、外科和创伤愈合、局部给药和组织工程学中。
2.2市售制剂中的HA：线性、衍生物及交联物。
应用于已述领域时，HA为原始的线性结构。然而，为了其他的目的，需要对HA进行化学修饰。通常对HA做衍生化(线性链的修饰)或交联处理(在HA链之间形成共价键，从而形成HA的三维网状结构)。
修饰HA是为了降低体内HA的高转化率。例如。如果皮下注射线性HA，降解迅速而不能有效的发挥其功能。相反，修饰后的HA，不易受化学和酶解的影响，因此在体内作用时间较久，效果更好。修饰HA，尤其是交联处理，也可以改善HA某些特定的力学特性。
HA的化学修饰一般涉及其分子结构中的羟基或羧基。
HA的衍生化策略包括酯化及硫酸化。硫酸化发生在HA链的羟基位置，得到的产物具有类肝素的活性(与硫酸化的程度有关)。酯化过程涉及分子链上的羧基，羧基转化为酯后，导致产物疏水性增加。因此，随着HA修饰程度的增加其水溶性降低，从而使其在体内环境下更稳定。在所有HA衍生物中，HA的苄酯衍生物具有更好的市场。
过去的10年中，多种方法可制得交联HA，许多交联HA产品上市。交联的方法包括：双一碳二亚胺交联，碳二亚胺[R1-N》N―R，如EDC：l一乙基(3，3一二甲氨基丙基础二亚胺)]和辅助活化剂(co-activators，如，N一羟基硫代琥珀酰亚胺，sulfo-NHS，或1，羟基苯并三唑HOBt)介导的多价酰肼交联，二硫化物交联，由碳二亚胺和一种辅助活化剂介导的自交联，甲基吡啶碘(CMPI)介导的自交联，光致交联，上述的交联过程均涉及HA链中的羧基。其他的交联方式涉及HA链中的羟基，包括二乙烯基砜交联和双环氧化物(di-epoxide)交联。
2.3线性HA的应用
线性HA主要用于化妆品、眼科以及促进伤口愈合。化妆品中，由于HA的亲水性，其作为保水性物质，目前主要的化妆品品牌中均含有HA。
HA在药物局部给药系统应用中受到关注。如，Solaraze，处方为含有双氯芬酸(3％)的HA凝胶(25％)，临床用于治疗局部光线性角化病。与对照或其他给药系统比较，HA可明显提高双氯芬酸对角质层的渗透性，并能提高表皮中药物的滞留及定位。
HA有助于皮肤炎症及伤口的愈合。如Jaloplast Cream(Fidia，Italy)就是一种以HA为主要成分(0.2％w／w)的产品，涂抹于伤口(擦伤、皮肤移植、外科手术、一和二度烧伤、血管变形和溃疡、褥疮)表面，促使伤口更快结痂愈合。
整形外科生物再生(bio―revitalization)，是指HA皮下给药，抵抗皮肤衰老。面部HA皮下给药后，可以修正面部线条，平复皱纹。面部小剂量注射HA，可以帮助皮肤恢复和保持弹性，显得健康。经常用于眉线、鱼尾纹及嘴角纹。注射HA后，可以使皮肤更光滑、细密、有光泽。
眼科手术中，HA溶液用于保护眼组织，可以在眼科手术时提供足够的空间。这主要利用了HA的黏弹性。高黏的HA溶液固定后(静态)，可以维持眼科手术空间。高剪切率下HA黏度较低，可使其更易注射。HA的高弹性可以保护眼组织不受外科器械及植入物的伤害。
常用产品为Healon，来自美国雅培医疗光学公司。该产品是一种含透明质酸钠(1％，w／w,pH 7.0-7.5)的黏弹性生理溶液，辅助用于白内障摘除、人工晶状体植入、角膜移植、青光眼滤过术及视网膜附件手术。
Viseaot(黏弹性的眼内注射液，Cilco，USA)，主要含透明质酸钠(30 mg／mL)，硫酸软骨素钠(40 mg／mL)及缓冲体系。主要用于自内障摘除及人工晶状体植入。
眼科中，线性HA在许多洗眼液处方中作为活性成分。如，意大利Sift公司生产的Hyalistil，含有0.2％透明质酸钠，可以稳定泪膜，保湿和润滑角膜。可以有效提高佩戴隐形眼镜的舒适性。HA的吸湿性和黏弹性是其作用的基础。美国雅培医疗光学公司产的Blink Contacts是一种含0.15％(w／w)HA的滴眼液，可以增加隐形眼镜的舒适性。
泌尿外科应用，膀胱内缓慢输入线性HA溶液被用来治疗间质性膀胱炎、复发性尿路感染和出血性膀胱炎。HA是膀胱上皮的保护屏障，炎症导致GAG层损坏，可能增加细菌黏附及感染的可能性。目前临床关于HA治疗上述病症的资料较少。
2.4交联HA的应用
交联HA主要用于美容医学，骨关节炎(OA)治疗以及组织工程。
最近十年，交联HA在美容医学上的应用逐渐兴起。HA作为皮下填充物，在非手术软组织填充中反响较好。皮下注射HA可平滑皱纹，增加软组织体积(如唇部、乳房)。根据美国美容整形外科学会统计，2008年使用的皮肤填充产品中，85％含有HA。因为巨大的临床商业价值，几乎每家美容器械公司均生产含HA的皮下填充产品。
交联及线性HA可用来治疗OA。HA是关节滑液的组成成分，关节炎症时，关节滑液中HA的浓度降低。关节内注射HA溶液，对炎症有治疗作用。有研究表明，HA可以抑制软骨变性，保护关节软组织表面，使滑液的流变学特性正常并能降低痛感。1997年，FDA批准Synvisc上市，其主要成分为Hylan GF-20，一种交联的HA衍生物。Hyalgan(Fidia)，Orthovisc(Anika)以及synovial(IBSA)是市场上广泛应用的以线性HA为基础的治疗OA的产品。
为防止术后粘连，建议使用交联HA。例如，意大利Fidia公司的ACP(AutoCrosslinked Polymer，白交联聚合物，HA分子链上的羟基和羧基可以形成分子内或分子间的酯键)，在动物模型及I临床试验中，可有效的减少腹腔手术后的粘连。美国Genzyme Biosurgery公司生产的Seprafilm为一种粘连屏障(隔膜)，由HA和羧甲基纤维素(CMC)制得。据推测，该产品中的HA可能部分衍生化，部分交联。临床表明，该产品可有效降低腹腔手术后粘连的发生频率及粘连程度。
2.5 HA衍生物的应用
HA的酯在此类高分子中利用最多，尤其是在组织工程中。HYAFF(Fidia Advanced Biopolymers，Italy)为HA苄酯。HYAFF，11(完全酯化的HA衍生物)医学上应用广泛，如组织修复、药物控释、神经再生、创伤敷裹。它可以作为皮肤和软骨再生的支架。医学上应用的几种形式：薄膜、喷雾、海绵、管及微球。LaserskintlHyalograff cAutograft,Hyaffj基础的商品。Laserskin是直径40-500m的HYAFF。11的微球，成功用于治疗烧伤及皮肤病灶。Hyalograft C Autograft为3D的HYAFF一1 l，已成功用于治疗软骨缺失。3结语
由于科学上的关注及其在化妆品和生物医学领域应用的多样性，HA成为重要的生物高分子。因此，其在许多跨学科领域的研究不断深入。一方面在于改进生物技术生产工艺，另一方面在于发展新型的HA制剂／基于HA的新原料。市场需求促进了研究的进行。从代谢工程方面进行开放的科学讨论，讨论也涉及新的生物转化工艺，目标是为了生产出特定M的生物高分子。许多文献报道也指出，Mr与HA的不同生物功能密切相关。对于HA理化和生物现象的全面认识，我们还相差甚远；还需进行更深入的研究来完全发现HA的价值。
参考文献
[1]Vazquez J A，Montemayor M I，Fraguas J，Hyaluronic acidproduction by Streptococcus zooepidemicus in marine by-productsmedia from mussel processing wastewaters and tuna peptoneviscera[J].Microb Cell Fact,2010，9(1)：46.