什么是透明质酸？

结构性^2,6

HA与其他存在于ECM中的GAG可一起为组织提供抗压强度。其负电荷、亲水性和长聚合物长度可引起大量的水与基质相结合。此外，HA在剪切力下粘度降低的独特属性意味着它可用作润滑剂。在静态条件下，它可提供弹性。最后，除了在细胞周围提供水合空间外，它还可因其孔径和电荷密度而调节生长因子的运输和其他信号。

信号转导

HA带有六个经表征的细胞表面受体：^12,13

• CD44
• RHAMM（透明质酸介导的运动受体），CD168
• LYVE-1（淋巴管内皮细胞HA受体1）
• HARE（内吞作用的透明质酸受体）
• layilin
• Toll-4
• CD44和RHAMM是目前表征最好的。两者都被认为与肿瘤的迁移、侵袭、粘附和增殖有关。^11-13

CD44

CD44是一种I型单程跨膜蛋白。^11,13 可竞争性结合CD44中更长HA聚合物的最小HA单元是十糖。⁷ CD44可在多种细胞类型中大量表达。它具有17种异构体。由于各种翻译后修饰（糖基化、磷酸化和蛋白质棕榈酰化），它具有更高的异质性。CD44已被证明具有多种细胞功能，包括用作：¹³

HA受体

• 整体膜蛋白多糖
• 基质金属蛋白酶的对接蛋白
• 核转录因子
• 肌动蛋白细胞骨架的信号转导因子
• 富HA ECM的管理因子
• 粘附和淋巴细胞滚动的介导因子
• 用于细胞存活/死亡的基质信号的协调因子
• RHAMM或CD16812

RHAMM（透明质酸介导的运动受体）不是一种跨膜蛋白。相反，它与细胞表面相关，但存在于多个细胞室中。RHAMM还与硫酸化的GAG结合，如肝素。目前，该HA结合蛋白已被证明可参与到：

PDGF和HA介导的src、FAK、PKC和erk信号级联反应的激活

• 响应wounding的移动
• 通过细胞周期G2M的进程
• 血管生成过程中的小管形成

发育/胚胎形成

“尽管在针对组织发育的大多数描述中都基本都忽略了这一点，但允许形成第一个专门的组织形式（即平面外胚层和内胚层）的最重要的细胞行为之一便是生成可将所有实体组织内细胞聚在一起的细胞外基质粘附支架”。¹³

ECM不仅在组织的体内平衡中起着至关重要的作用，并且也在其发育中起着至关重要的作用。当形成新的上皮时，基底膜也同时被生成。这包括在胚胎内的外胚层和内胚层生成过程中何时形成上皮。在胚胎发生过程中，层粘连蛋白是第一个在基底膜内被排出的ECM蛋白。在8细胞期的胚胎中，可观察到其在细胞之间的空间中以点状模式存在。在随后的发育中，纤连蛋白、硫酸乙酰肝素和IV型胶原蛋白会积聚在同一区域。胶原蛋白IV的沉积和自组装会导致基底膜组织的形成，从而导致粘附细胞的组织形成，从而引起上皮单层细胞的极化。¹³

胚胎ECM拥有大量的糖胺聚糖（GAG），其中HA占主导地位。¹⁴ 人类胚胎干细胞（H1、H9和H13系）已被证明可同时表达HA受体CD44和CD168（RHAMM）。人类胚胎干细胞（hESC）也已经通过将其封装在HA水凝胶中而被培养。这些细胞可生长15天而不存在可检测到的分化。当从水凝胶中回收后，可通过使用添加了VEGF的内皮生长培养基而使得hESC发生分化。¹⁴

HA大量存在于胚胎肝、胎儿肝和肝脏的干细胞niche中（ 赫林管）。当被封装在HA水凝胶并在完全定义的培养基（Kubota培养基）中生长时，肝脏干细胞和始祖细胞（成肝细胞）已成功培养了超过4周且没有发生分化。此外，这些肝始祖细胞表达了高水平的CD44。¹⁵

癌症

HA在癌症中的作用仍未阐明。迄今为止，已在十四种癌症的肿瘤细胞或周围基质中发现升高水平的透明质酸，^16,19 但是，这是否是因果关系还不清楚。对于卵巢癌，HA积累与癌症之间的相关性非常强，以至于被认为是一种预后标志物。¹⁹ 低分子量HA可刺激肿瘤细胞的迁移（高分子量HA不行），¹⁹ 近期，内源性HA的合成抑制（通过转染反义HAS，透明质酸合成酶）已被证明可在通过皮下注射的免疫受损小鼠中显著降低体内PC3M-LN4（人前列腺癌）肿瘤的生长。这些相同的肿瘤表现出了70-80%更低的血管密度。肿瘤的生长可通过向肿瘤注射外源性高分子量HA16而得以恢复。此外，HA的表达也被证明可影响多种促进肿瘤生长和存活的信号通路（Erb2、Ras、MAPK和PI3激酶/Akt）。¹⁶

血管生成

HA低聚糖可促进血管生成，而高分子量HA则会对其进行阻止。^16,17,19,20 除了HA片段和影响血管生成的聚合物，透明质酸酶的水平和HA降解还与肿瘤生长和血管生成相关。因此，推断肿瘤HA的降解可产生HA低聚糖，其反过来会刺激血管生成和肿瘤生长。该理论存在有一些相互矛盾的信息，表明需要更多的研究来充分了解HA和血管化之间的复杂关系。¹⁶

透明质酸的降解

HA可通过两种均需要透明质酸酶的途径从生物体中进行去除^10,20：

1.通过细胞的内化和降解并在溶酶体中的破坏¹⁰： 
透明质酸酶Hyal-1负责细胞内HA的分解代谢并主要在溶酶体中起作用。^10,20 这是产生血管生成HA片段的酶，因其可将所有大小的HA链断裂至四糖，^20-15 由Hyal-1所产生的四糖的降解是通过溶酶体中的β-葡萄糖醛酸糖苷酶和β-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶完成的。最终的降解产物是GlcNAc（可被循环）和GlcA（在戊糖途径中被分解代谢）。⁶

2.释放自ECM并被引流至脉管系统，然后通过淋巴结、肝脏和肾脏而被去除¹⁰：
透明质酸酶Hyal-2负责分解细胞外HA。^10,20 HA在断裂后会被转运通过淋巴系统。一旦进入血管，肝脏会去除约80％，而肾脏则去除另外的10％。¹⁰

酶法⁷

存在有三类可消化HA的透明质酸酶：

• 哺乳动物（生成四糖和六糖的内切-β-N-乙酰基-D-己糖胺酶）
• 水蛭/寄生虫（内切-β-葡糖醛酸糖苷酶）
• 细菌（通过β-消除作用生成二糖、四糖或六糖；注意：该酶会在糖醛酸的非还原端引入一个可在232 nm处被检测到的双键）。

透明质酸酶在酸性pH下可发挥最佳作用，鉴于其在溶酶体降解中的作用，这并不意外。酶消化通常是在37 °C条件下的醋酸钠缓冲液（pH 4.8-6.0）中完成的。通过调节消化时间，HA低聚糖的组成也会有所变化 – 消化时间越长，链长越短。

人类基因组中编码的透明质酸酶有5种同源的哺乳动物类型：Hyal-1至4以及PH-20（精子粘附分子1或SPAM-1）。²⁰

• Hyal-1可在大多数组织中表达，并可在血浆和尿液中被检测到。Hyal-1并不与膜结合；然而，它在体内需要CD44以实现透明质酸酶活性。它在膀胱癌及前列腺癌中上调。²⁰
• Hyal-2也在大多数组织中表达；然而，它不存在于大脑中。它可分解细胞外HA。它具有一段糖基磷脂酰肌醇（GPI）信号序列，可将其锚定在膜上。Hyal-2在体内还需要CD44来降解HA，²⁰ 它被认为是一种对组织重构和细胞迁移至关重要的细胞外酶。¹⁰
• Hyal-3在大脑和多种其他组织中表达，但其功能尚未明确。它是GPI锚定的。²⁰
• Hyal-4对硫酸软骨素底物具有特异性，并且是GPI锚定的。²⁰
• PH-20可在精子中表达，并在受精过程中具有活性，在这里它可降解富含HA的卵丘。^10,20

化学的⁷

HA还可通过非酶的方法被降解。造成更短链长的最常用条件包括：

• 酸性条件
• 碱性条件
• 物理压力（高速搅拌或临界剪切）
• 超声
• 基于自由基的断裂（羟基自由基可通过非特异性断裂糖苷键来引发HA降解）

透明质酸合成

HA是由一种被称为透明质酸合成酶（HAS）的酶所生成的。HA是在质膜上将聚合物从还原端进行延伸而合成的，这可导致其从细胞表面伸出。这对于糖胺聚糖是非典型的。¹² 表达CD44的细胞将会以细胞周围涂覆的形成保留合成的HA。¹¹ 用于产生Glycosil^®透明质酸和HyStem^®水凝胶的HA是通过使用来自类马链球菌的重组hasA基因而合成的，其表达于枯草芽孢杆菌。所生成的HA是位于1 MDa范围的。²⁶

Glycosil vs. 未改性的透明质酸

未改性的HA难以使用（高粘度），不能形成稳定的水凝胶（凝胶状的溶液可以高浓度进行制备，特别是对于高分子量HA，但没有化学交联）并且HA在 体内会被内源性透明质酸酶快速降解，^2,9

Glycosil是通过在每个HA聚合物的OH或OH基团上引入多个硫醇部分而形成的。¹² 这些硫醇基团在体内可相互反应以形成二硫键或与PEGDA发生共价反应以形成能够稳定4-8周的水凝胶，^22-25 但仍可以被透明质酸所降解。

透明质酸的历史

1934 – HA首次从牛眼的玻璃体液中被分离出来，并因为玻璃状（=玻璃体）和糖醛酸而得名 
1930-40s – 从滑膜液、皮肤、脐带、肿瘤和雄鸡冠中分离出HA 
1951 – HA化学结构的确定
1970s – 软骨蛋白聚糖被证明可与HA特异性相互作用 
1993 – A组链球菌中透明质酸合酶的发现和克隆 
1999 – 活性透明质酸合成酶的首次纯化 
现在 – HA的生产现在主要是通过细菌发酵