多聚唾液酸(polysialic acid，PSA)是一類線性、均一多聚α2,8連線唾液酸的獨特碳水化合物，它主要通過典型的N-連線糖苷鍵附著在脊椎動物神經系統神經黏附分子上。多聚唾液酸通過改變神經系統神經黏附分子的黏附性調節神經細胞發育、神經導向以及突觸形成，從而在神經發育中起關鍵作用。
基本介紹
- 中文名：多聚唾液酸
- 外文名：polysialic acid
- 英文縮寫：PSA
簡介,生理功能,生產技術,培養基,培養條件,場合套用,
簡介
多聚唾液酸(polysialic acid，PSA)
多聚唾液酸是一類線性、均一多聚α2,8連線唾液酸的獨特碳水化合物，它主要通過典型的N-連線糖苷鍵附著在脊椎動物神經系統神經黏附分子上。多聚唾液酸通過改變神經系統神經黏附分子的黏附性調節神經細胞發育、神經導向以及突觸形成，從而在神經發育中起關鍵作用。
聚唾液酸是唾液酸單體以α-2,8和/或α-2,9鍵連線的直鏈同聚物，存在於一些脊椎動物細胞中的神經節苷脂和糖蛋白分子中，也存在於少數幾種細菌的胞外莢膜中。聚唾液酸主要通過N-糖苷鍵連線附著在脊椎動物神經系統神經黏附分子(NCAM)上，通過改變神經系統NCAM的黏附性調節神經細胞發育、神經導向以及突觸形成，從而在神經系統發育過程中起關鍵作用，聚唾液酸的聚合度會影響聚唾液酸-NCAM的功能。
聚唾液酸-NCAM是介導細胞間和細胞-基質間黏附的單鏈跨膜糖蛋白，在中樞神經系統很多部位存在並發揮作用，特別是在與認知功能相關的結構中。實驗證明聚唾液酸-NCAM在中樞能促進神經細胞及突觸的發育生長，穩定突觸以及加強神經信號傳遞，而這些生理活動已被普遍認為與認知功能有關。唾液酸和寡聚唾液酸占據許多生物細胞膜的糖脂和糖蛋白分子的糖鏈最末端，是細胞信息傳遞的第一接觸位點，因此在許多生理和病理髮生過程中發揮著重要的作用。
聚唾液酸主要存在於中樞神經系統神經元細胞的神經細胞粘附分子(NCAM)表面，在胚胎髮育期間，特別是在大腦的發育關鍵時期聚唾液酸的生物合成過程非常旺盛。但是在成人人體周圍神經系統中，聚唾液酸幾乎不存在。一旦神經受到損傷，圍繞神經的Schwann細胞會迅速合成聚唾液酸，許多研究表明聚唾液酸的合成有助於神經系統的修復和再生。非液化莫拉菌和腦膜炎奈瑟氏菌可利用細菌聚唾液酸莢膜與人腦細胞表面NCAM末端聚唾液酸的結構相似性，突破免疫防禦系統而侵入腦組織。但目前已發現在一些非致病微生物(大腸桿菌K235)中也能大量分泌合成α-2,8糖苷鍵連線的聚唾液酸。
生理功能
聚唾液酸經水解後可得到唾液酸寡糖和唾液酸單體，可用於進一步製備功能性唾液酸寡糖的原料。聚唾液酸還可用作蛋白藥物的緩釋材料和神經修復手術中的支架材料。蛋白質類藥物已經成為現代生物製藥領域一個重要的組成部分，但是蛋白質類藥物在臨床使用中暴露出一些問題：
(1)進入機體後易受到蛋白酶和水解酶的攻擊；
(2)蛋白分子自身的免疫原性易引起體內免疫排斥反應。
這些因素極大縮短了蛋白類藥物在體內的半衰期，限制了藥效的發揮。對蛋白類藥物分子進行修飾是解決其臨床套用的最有效手段之一，現階段最常用的化學修飾材料主要是聚乙二醇(PEG)，這類長效藥每年的產值約為150～200億美元。聚乙二醇修飾後的蛋白藥物雖然延長了體內半衰期，但也衍生了一些新問題：聚乙二醇不能在體內降解，多量積累會對機體產生毒性，多頻次注射大分子聚乙二醇化的蛋白質後人體易產生聚乙二醇的抗體，影響治療效果。
聚唾液酸是一種比聚乙二醇更具潛力的蛋白藥物修飾材料，除了具有更好的生物相容性、可降解性和高度親水性，還具有抗人體免疫系統識別的功能。與PEG相比，聚唾液酸在抗免疫識別能力和生物可降解性上具有明顯優勢，目前已有聚唾液酸化修飾的天冬醯胺酶、胰島素和干擾素等多種蛋白類藥物處於臨床實驗階段。隨著誘導和支持神經元細胞再生功能的發現，認定聚唾液酸為現代神經修復手術中最理想的支架材料之一。傳統的神經修復術支架是人工合成材料，雖然具有較好的生物相容性，但是不能在機體內自行降解，因此需要在創傷癒合後進行二次手術從體內取出，這增加病人痛苦和手術風險。而聚唾液酸作為支架材料的最大優勢在於它在體內可以被完全降解和吸收而無需二次手術，此外聚唾液酸還具有誘導和支持神經原細胞再生的功能，可以加速神經創傷的癒合。
生產技術
從1999年開始，江南大學詹曉北課題組對大腸桿菌K235產聚唾液酸進行研究，並初步對菌株進行了一系列的誘變和篩選工作，獲得一株大腸桿菌CCTCC M208088，聚唾液酸搖瓶發酵水平提高到2.0g/L。
培養基
碳源和氮源是構成培養基的主要組成成分，也是影響細菌生長和聚唾液酸合成的重要因素。研究表明以E. coli K1為聚唾液酸生產菌株，以葡萄糖與谷氨酸、木糖與硫酸銨、山梨醇與硫酸銨、甘露糖與硫酸銨為碳源和氮源組合的全合成培養基，該菌株不能合成聚唾液酸，而在葡萄糖與脯氨酸為碳源和氮源組合的合成培養基條件下能合成少量聚唾液酸，以木糖和L-脯氨酸為碳氮源組合條件下，聚唾液酸的產量則可達到0.95g/L。我們以大腸桿菌CCTCC M208088作為聚唾液酸合成的菌株，以山梨醇為碳源，以硫酸銨和胰蛋白腖作為組合氮源，聚唾液酸發酵水平優於其它碳源和氮源組合。而從圖3的聚唾液酸合成途徑可知，若以葡萄糖為碳源，聚唾液酸鏈上延長一個當量唾液酸單體就需要7個當量的ATP，而以山梨醇為碳源時，在6-P-山梨醇脫氫酶的作用下，多產生1個分子的NADH還原力，因此在能量代謝方面優於以葡萄糖為碳源。
培養條件
聚唾液酸發酵過程中的培養條件主要包括培養溫度、pH值、通氣條件等。聚唾液酸是細菌莢膜多糖，而莢膜的產生與培養環境密切相關，聚唾液酸的合成也就受到培養環境的影響。較高的溶氧濃度有利於大腸桿菌合成聚唾液酸，這可能與聚唾液酸合成過程需要消耗大量能量物質有關。劉金龍等通過研究攪拌轉速和溶氧對聚唾液酸發酵的影響，並提出分階段攪拌策略，聚唾液酸產量達到3.92g/L。發酵過程中的pH值對聚唾液酸合成影響顯著。
目前關於溫度對細菌合成聚唾液酸影響的報導很多，並且都表明聚唾液酸的合成是受到溫度的嚴格控制，最適聚唾液酸合成的溫度是37℃，而當溫度在19℃時，大腸桿菌K92不再合成聚唾液酸，卻合成了另一種莢膜多糖可拉酸(colanic acid)，這種多糖是由葡萄糖、半乳糖、岩藻糖、葡萄糖醛酸組成的雜多糖。聚唾液酸合成受到溫度的嚴格控制是由於在低溫下CMP-Neu5Ac合成酶(NeuA)的活力受到了不利影響，聚唾液酸無法合成，但是將培養溫度轉變為37℃後CMP-Neu5Ac迅速合成，而再次降低到20℃時此物質又停止合成。
場合套用
不同的套用場合需不同分子範圍的聚唾液酸分子，長鏈聚唾液酸可以連結一個或多個分子的低分子量藥物和多肽，而鏈長較短的聚唾液酸可以用於包裹大分子蛋白質以及脂質體顆粒微粒。目前已發現的聚唾液酸分子的聚合度在8～400範圍。在生產工藝研究過程，影響聚唾液酸合成的因素得到了深入研究，但對目標產物分子質量的控制未得到重視。我們知道生物聚合物分子質量可能影響其物理和化學特性、生物功能及其臨床套用。我們系統地研究了pH值和溫度等發酵條件對細菌生長、聚唾液酸合成及其分子質量，採用兩階段pH值控制和補料工藝，聚唾液酸產量達到5.5g/L，分子質量為260kD(DP= 840)的聚唾液酸，產物發酵水平和分子質量均為目前報導的最高水平。
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