学术报告

本文档是一篇单项原创研究（类型a），以下将详细介绍该研究成果。

研究作者与期刊信息

该研究由Lu Fu、Claire A. Bridges、Ha Na Kim、Catherine Ding、Nicole Chiwei Bao Hou、Jonathan Yeow、Sandra Fok、Alexander Macmillan、James D. Sterling、Shenda M. Baker及Megan S. Lord团队完成。主要研究机构为University of New South Wales和Synedgen Inc.等单位。文章发表于Biomacromolecules期刊，发表时间为2024年5月22日，DOI为：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c00477。

学术背景

本研究属于生物医学工程与多糖药物递送系统领域，重点研究阳离子多糖（Cationic Polysaccharide）与内皮细胞表面的糖萼（Glycocalyx）之间的相互作用及其在药物递送系统中的潜力。现有文献表明，阳离子多糖在血液中传递药物方面有一定研究，但仍有许多未解决的问题，例如其与内皮细胞糖萼间的相互作用机制。

内皮细胞糖萼是内皮细胞表面的阴离子基质，其厚度达数百纳米，通过调节跨膜物质转运发挥屏障作用。然而，现有研究对其与生物材料的相互作用仍缺乏充分理解。此外，多糖类聚合物由于其天然来源、生物相容性及可降解性，已成为广泛研究的分子。但要成功应用于体内环境，其对糖萼的作用机制和具体相互作用属性需进一步阐明。因此，该研究旨在探讨不同电荷种类的多糖与内皮细胞糖萼间的相互作用及其对药物递送系统优化的启示。

该研究的目的在于：1. 分析阳离子多糖是否较中性或阴离子多糖更强地结合于糖萼；2. 探讨其与糖萼葡糖胺聚糖如硫酸乙酰肝素（Heparan Sulfate, HS）之间的交互机制；3. 验证其是否具有保护糖萼功能及研究其递送途径。

研究流程与实验设计

研究分为以下几个部分，包含完整的实验设计和数据分析工作流程。

1. 内皮细胞培养及糖萼表征

为了模拟体内内皮细胞的微环境和糖萼特性，研究团队使用了原代人脐静脉内皮细胞（HUVECs）。这些细胞经7天培养后达到单层细胞融合状态，研究者通过下列方式表征其特性：

• 应用抗体标记技术，对细胞间连接蛋白（如VE-Cadherin）、糖萼组分蛋白（如Syndecan-1、CD44）以及阴离子性糖胺聚糖（HS和Hyaluronan, HA）的表达进行荧光成像和流式细胞术分析。
• 使用绿豆凝集素（WGA）染色，确认糖萼覆盖率及其与细胞屏障功能的关系。
• 使用荧光标记白蛋白鉴定糖萼的屏障排拒能力。

2. 多糖与内皮细胞结合能力的评估

为了评估不同电性多糖的结合能力，研究使用了以下三种代表性多糖：
- 聚（乙酰-精氨酰）葡萄糖胺（PAAG，阳离子）；
- 中性多糖右旋糖酐（Dextran）；
- 阴离子多糖透明质酸（HA）。

通过流式细胞术与荧光显微镜，分析了荧光标记的多糖（例如Fluoro-488-PAAG）在内皮细胞表面的结合量和分布情况，并对比PAAG与氨基酸聚合物（Poly-amino acids, 如Poly-L-Arginine和Poly-L-Glutamic Acid）的结合特性。

3. PAAG与细胞表面HS的作用机制研究

研究通过以下手段细化PAAG与HS的交互模式：
- 在体外构建糖萼模型，检测PAAG与固定化HS（类似糖萼的表面结构）间的结合；
- 使用酶如Heparinase III降解硫酸乙酰肝素，探测PAAG是否能保护HS免受降解；
- 流式细胞术量化HS残留量，并辅以Western blot技术分析分子结合与降解情况； - 石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance with Dissipation, QCM-D）进一步研究PAAG与HS的结合机制，探测其表面吸附和水化行为。

4. 数据分析

研究数据通过显微成像量化软件和流式细胞术软件（如FlowJo v10）处理，统计分析则通过GraphPad Prism进行ANOVA和相关性检验。

研究主要结果

1. 内皮细胞糖萼的表征
   内皮细胞培养后表现出成熟的细胞间连接，糖萼具有丰富的Syndecan-1和CD44，同时表达大量HS和HA。糖萼对标记白蛋白具有明显排斥作用，表明其作为功能性屏障的能力。

2. 多糖与内皮细胞的结合能力
   PAAG表现出比右旋糖酐和透明质酸更高的结合能力，并且能够显著穿越糖萼并在细胞内累积。相比于阴离子或中性多糖，阳离子聚合物在结合内皮细胞方面具有更极优的表现。

3. PAAG与HS的交互机制
   QCM-D结果表明，PAAG与硫酸乙酰肝素的结合涉及离子交换和氢键，改变了糖萼的水化层。并且，PAAG结合HS后表现出对HS强大的保护作用，使其免于Heparinase III降解。

4. 分子微阵列分析
   PAAG对包含硫酸基和羧酸基的HS寡聚糖表现出特异性结合能力。较高硫酸化程度的寡聚 HS(G) 结合能力更强，但也存在分子构象与PAAG适配性的问题。

研究结论与意义

1. 研究价值
   本研究揭示了阳离子多糖与阴离子性糖萼相互作用的独特性质，特别是阳离子多糖在结合与保护硫酸乙酰肝素方面的能力。这项研究开拓性地探索了多糖在改善药物递送系统设计方面的潜能。

2. 应用前景
   PAAG通过保护糖萼免受降解，可能为治疗急性炎症相关疾病（如败血症和COVID-19）的药物递送系统提供新思路。此外，其高结合和穿透能力对递送核酸类药物具有重要意义。

研究亮点

• 提出了特定阳离子多糖对HS保护机制的证据；
• 独创性地使用QCM-D揭示了分子结合导致的水化层变化；
• 完整证明了糖萼是阳离子系统进入内皮细胞的一道关键屏障。

总结

通过一系列详尽的实验，本研究不仅阐明了阳离子多糖与内皮细胞糖萼间的交互机制，还为未来的药物递送系统设计提供了重要的理论基础和实验启示。