《Neuroprotection》：Heparan sulfate and glycomimetics: Advances in synthesis and biological applications for post-stroke neurorepair
肝素硫酸是一类结构高度多样的糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG），在中枢神经系统（central nervous system, CNS）中含量丰富，能够统筹调控神经可塑性、神经修复与神经保护等关键过程。与硫酸软骨素及相关糖胺聚糖所呈现的抑制效应形成鲜明对比，肝素硫酸具有促进再生的能力，因此利用肝素硫酸及合成糖模拟物开展卒中后神经修复以及其他多种神经退行性疾病干预的研究兴趣持续升高。然而，关于肝素硫酸硫酸化模式如何决定功能结局的认识仍存在显著空白，临床转化也仍面临重要障碍。本文对基于肝素硫酸的糖模拟物在合成与应用方面的进展进行了批判性综述，界定了糖胺聚糖在中枢神经系统疾病中的机制性双重作用，并强调新的临床前数据与新兴临床数据如何正在重塑生物工程化细胞外基质疗法的应用前景。研究人员指出了递送、特异性与疗效方面尚未解决的挑战，并提出未来研究方向，以弥合上述转化鸿沟。
1 INTRODUCTION
文章首先指出，卒中仍是全球死亡和长期残疾的主要原因之一，当前除溶栓和机械取栓外治疗手段有限。尽管急性再灌注治疗快速发展，但多数幸存者仍遗留持续性神经功能缺损，因此亟需能够在早期提供神经保护、或在延迟期促进神经可塑性与再生的治疗策略。作者据此引出中枢神经系统（central nervous system, CNS）中细胞外基质（extracellular matrix, ECM）重塑这一核心病理背景，强调ECM并非被动支架，而是参与细胞内信号转导、神经递质传递、离子稳态、神经元可塑性及损伤后修复的重要动态网络。文中进一步聚焦糖胺聚糖（glycosaminoglycans, GAGs），指出其结构异质性使其能够精细调控受体-配体相互作用、趋化因子梯度及生长因子活性。肝素硫酸（heparan sulfate, HS）作为重要GAG，因其可促进生长因子信号、支持恢复，与硫酸软骨素蛋白聚糖（chondroitin sulfate proteoglycans, CSPGs）的抑制性形成对照，由此推动了糖模拟物开发，用以增强修复、克服抑制信号并调控神经炎症。
2 GLYCOSAMINOGLYCANS: STRUCTURE AND BIOSYNTHESIS
2.1 Core disaccharide structures
本节概述GAGs的基本化学组成。大多数GAG由氨基糖与糖醛酸构成重复二糖单元，角质素硫酸（keratan sulfate, KS）则例外，由半乳糖与N-乙酰氨基葡萄糖组成。作者强调，O-连接或N-连接的硫酸化以及N-乙酰化等修饰共同造成了GAG的结构多样性，这一多样性是其生物学功能分化的基础。
2.2 Linkage to core proteins
作者说明，多数GAG通常通过丝氨酸残基与蛋白聚糖核心蛋白共价连接，并经由木糖-半乳糖-半乳糖-葡萄糖醛酸构成的四糖连接区实现装配。透明质酸（hyaluronan, HA）是特例，其在质膜处由透明质酸合酶直接合成，并不与蛋白共价结合。KS则可通过N-连接聚糖或O-甘露糖连接方式附着。
2.3 Biosynthesis and post-translational modifications
本节总结GAG生物合成与翻译后修饰过程。其前体核苷酸糖在胞质中生成后进入高尔基体，继而发生链聚合和广泛修饰，包括N-硫酸化、2-O、4-O、6-O以及少见的3-O硫酸化、N-乙酰化和C-5差向异构化。作者将这些位置与程度不同的硫酸化统称为“硫酸化密码”，认为其决定特定配体或受体的结合亲和力，是GAG功能特异性的关键来源。
2.4 Structural heterogeneity and functional implications
作者进一步强调，GAG的结构并非模板驱动生成，而是依赖糖基转移酶、差向异构酶和硫酸转移酶等介导的逐步延长与位点特异性修饰。正因如此，GAG能够被不同蛋白配体识别，如生长因子、趋化因子和黏附分子。文中以HS调控成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor, FGF）受体结合、CS不同硫酸化图谱决定轴突生长促进或抑制为例，说明ECM可通过有限的基本构件编码复杂生物学信息。作者还指出，这些修饰会随细胞类型、组织部位、发育阶段和病理状态而变化，并可受细胞外硫酸酯酶影响。异常的硫酸化与乙酰化模式与慢性炎症、心血管疾病和神经退行性变相关；卒中及其他缺血事件还可导致糖萼（glycocalyx）破坏，使GAG及其降解产物进入循环，具有潜在生物标志物价值。
3 BIOLOGICAL ROLES OF GAGS IN THE CNS
3.1 Organization of the extracellular matrix, perineuronal nets and implications for synaptic plasticity
本节围绕突触可塑性展开。作者指出，GAG在CNS中既可弥散分布于ECM，也可浓缩为神经周围网（perineuronal nets, PNNs）。PNNs主要包裹快发放的parvalbumin阳性中间神经元，由HA锚定，并由aggrecan、brevican等CSPGs及tenascin-R、link proteins稳定。其生理作用在于维持成熟神经回路稳定，但损伤后会限制可塑性。卒中可诱导PNN重塑，增加aggrecan与brevican沉积，使梗死周围神经元过早形成抑制性ECM。与之相对，HS可通过稳定脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）和FGF2信号促进可塑性、增强树突生长。文中还提到，硫酸软骨素酶ABC（chondroitinase ABC, ChABC）酶解PNNs可重新激活类似幼年期的可塑状态，增强轴突萌发与再生。
3.2 HSPGs: Permissive signals
作者指出，肝素硫酸蛋白聚糖（heparan sulfate proteoglycans, HSPGs）位于细胞表面和ECM内，可作为共受体与信号调节因子，参与轴突导向、突触形成和树突分支等发育过程。HSPGs可调节FGF信号，对海马长时程增强（long-term potentiation, LTP）和记忆形成具有重要意义；HS与BDNF、midkine等生长因子结合后，还可增强神经元存活及突起生长。
3.3 CSPGs: Inhibitory signals
与HSPGs相对，CSPGs总体上发挥轴突生长与再生抑制作用。中枢损伤后，aggrecan、brevican、versican、phosphacan等CSPGs上调，并通过受体蛋白酪氨酸磷酸酶σ（RPTPσ）、白细胞共同抗原相关受体（LAR）及Nogo受体等触发胞内信号，导致生长锥塌陷与神经突延伸受阻。作者同时指出，CSPGs在未损伤成年CNS中也有稳定既有连接、限制回路重塑的作用。
3.4 Other GAG functions in the CNS
本节概述其他GAG的支持性作用。HA主要负责组织水合和结构支撑，其裂解片段可通过Toll样受体（Toll-like receptor, TLR）激活先天免疫；KS可能参与突触稳定与ECM组织，但再生方面研究较少；皮肤素硫酸（dermatan sulfate, DS）则涉及生长因子结合与胶原原纤维形成。作者据此强调，GAG并非单纯结构成分，而是承载CNS发育、可塑性及修复信息的重要分子系统。
4 GAGS AND NEUROVASCULAR INTERACTIONS IN DISEASE
4.1 GAGS and excitotoxicity
作者指出，卒中病理与神经血管单元（neurovascular unit, NVU）紧密相关。HS位于内皮表面，可通过结合血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）和血管生成素维持血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）完整性；缺血导致HS脱落，糖萼削弱，进而加重血管渗漏。在兴奋性毒性方面，HS能够隔离谷氨酸、减轻毒性损伤，而CSPGs则通过限制谷氨酸清除和胶质谷氨酸转运体表达而加重应激；HA裂解片段亦可放大小胶质细胞活化与细胞因子释放。
4.2 Effects of GAGs on inflammation
本节强调神经炎症是缺血性卒中的标志性过程，GAG是CNS免疫与炎症的强效调节因子。损伤后ECM快速重塑，释放可溶性GAG片段并改变硫酸化图谱，从而影响免疫细胞募集与激活。作者指出，不同GAG在炎症中的作用具有双向性和情境依赖性。
4.3 Heparan sulfate in immunomodulation
作者指出，在缺血-再灌注过程中，HS可从内皮糖萼和ECM中脱落，释放的可溶性片段既可作为损伤相关分子模式（danger-associated molecular pattern, DAMP），也可调控细胞因子信号。HS片段可经TLR4刺激树突状细胞和小胶质细胞，放大炎症级联反应；同时HS还能结合如CCL21等趋化因子，稳定引导白细胞迁移的浓度梯度。文中援引动物研究说明，HS生物合成缺陷会削弱树突状细胞募集及适应性免疫应答。
4.4 Hyaluronan in inflammation
作者指出，卒中后HA发生广泛降解，其免疫效应依赖分子量。高分子量透明质酸（high-molecular-weight hyaluronan, HMW-HA）维持组织稳态并抑制炎症；低分子量透明质酸（low-molecular-weight hyaluronan, LMW-HA）则通过TLR2/4激活核因子κB（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κB）并诱导细胞因子释放。这些片段可在梗死周围区域持续存在，延长不利于恢复的炎症反应。
4.5 Chondroitin sulfate and other GAGs on inflammation
作者进一步指出，卒中后胶质瘢痕中CSPGs上调，并改变免疫细胞行为。CS与DS可通过特定硫酸化模式影响补体激活和白细胞黏附，其硫酸化基序还是趋化因子的结合位点，因此可调节梯度形成与免疫细胞转运。此处再次体现CS在神经再生中抑制、而在免疫中具调节性的双重特征。
5 AGEING, PERINEURONAL NETS, AND ECM REMODELING
本节聚焦衰老相关ECM改变。作者指出，随着衰老，CNS中PNNs的抑制性增强，典型变化为硫酸软骨素6-硫酸化（C6S）下降，而4-硫酸化（C4S）相对增加，这种转变提高了ECM抑制性，限制轴突萌发并损害可塑性。动物研究提示，恢复C6S可改善海马可塑性与记忆，而卒中后这种失衡会进一步抑制梗死周围皮层重塑，解释老龄脑恢复较差的部分机制。文章还指出，这些改变与阿尔茨海默病中的认知下降存在重叠。针对性策略包括ChABC酶解、调控硫酸转移酶表达，以及利用可控释放GAG片段的生物材料等。
6 GAGS IN NEUROREGENERATION
6.1 CSPGs as a growth inhibitory signal
作者总结，卒中后数日内，反应性星形胶质细胞和胶质祖细胞形成富含CSPGs的致密胶质瘢痕。该结构有助于限制炎症和维持组织完整性，但同时构成抑制轴突萌发的生化屏障。CSPGs通过RPTPσ和NgR1等受体激活RhoA/ROCK通路，导致生长锥塌陷。ChABC可在临床前模型中恢复轴突生长并改善功能，但受限于酶稳定性与免疫识别。文中还提及稳定化ChABC变体、纳米颗粒递送及CSPG信号药理抑制等新策略，以及pleiotrophin在克服CSPG抑制方面的潜力。
6.2 Heparan sulfate as a pro-regenerative signal
与CSPGs相反，HS在再生中总体表现为生长允许和支持作用。遗传学研究表明，HS对轴突导向、分支和再生至关重要，可通过调节netrins和slits等导向线索发挥作用。HS还可增强FGF、BDNF、VEGF及神经细胞黏附分子等信号，促进神经突延伸、突触重组、少突胶质细胞成熟和血管生成。作者特别强调HS硫酸化模式对功能结果具有决定作用，如N-硫酸化与少突胶质细胞分化和髓鞘形成相关，而6-O与2-O硫酸化则更有利于轴突生长和突触发生。
6.3 Summary of mechanistic contrast between heparan sulfate and chondroitin sulfate
本节总结HS与CS的机制对照。尽管二者均可与RPTPσ等受体结合，但HS倾向于以多价方式稳定促生长信号复合体，而CS基序则诱导抑制性信号级联。这一机制分化解释了HS促进修复与CS抑制再生之间的功能二元性。
7 HEPARAN SULFATE GLYCOMIMETICS: THERAPEUTIC POTENTIAL
7.1 Advances in glycomimetic design
作者指出，近年来糖模拟物合成策略已可精确调控硫酸化基序、链长与骨架结构，从而获得具有特定生物活性的HS模拟物，例如增强生长因子信号或调节免疫应答。通过化学修饰可提升其抗酶降解稳定性，结合生物材料则可实现靶向与持续释放。文中还提到，可通过亲和层析从天然HS中纯化高生物活性组分，如对VEGF
165高亲和的HS7。
7.2 Preclinical applications for stroke and neurodegeneration
本节总结临床前证据。于啮齿类卒中模型中，HS糖模拟物可增强轴突萌发、稳定生长因子信号并减轻炎症。静脉给予合成HS HSm4131在大鼠卒中模型中显示持久神经保护和功能获益；HS7亦可改善神经学结局。作者还指出，这类糖模拟物能够恢复糖萼完整性、支持血管生成，并在阿尔茨海默病与帕金森病模型中限制淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）和α-突触核蛋白（α-synuclein）聚集、减轻兴奋性毒性并增强突触韧性。
7.3 Translational challenges
作者认为，尽管前景可观，但仍面临若干关键障碍，包括天然HS结构复杂、难以完全复制；跨BBB递送困难；以及需要在疗效与外周脱靶风险之间取得平衡。不过，HS模拟物兼具对抗CSPG抑制与促进内源性修复的双重能力，因此仍是卒中及痴呆治疗中极具潜力的候选方向。
8 CLINICAL TRIALS OF GAGS AND HEPARAN SULFATE-MIMETICS IN STROKE AND NEURODEGENERATIVE CONDITIONS
作者在本节回顾了GAG及HS模拟物从临床前走向人体研究的进展。当前最成熟的卒中项目为RGTA?家族的OTR4132，已由首次人体递增剂量安全性研究推进至随机Ⅱ期研究MATRISS-II，给药方式为机械取栓后动脉内单次注射，目标是局部作用于再灌注后的梗死周围组织，支持微血管和实质修复。早期结果提示安全性可接受，Ⅱ期研究拟评估美国国立卫生研究院卒中量表（National Institute of Health Stroke Scale, NIHSS）、磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）病灶体积和改良Rankin量表（modified Rankin Scale, mRS）等结局。除卒中外，muparfostat、roneparstat、necuparanib、sulodexide等HS模拟物或肝素酶靶向药物已在人类肿瘤学或血管疾病中接受测试，这些研究为耐受性、系统药理学和大规模制造提供了参考，但尚非CNS定向治疗。作者同时指出，阿尔茨海默病和帕金森病尚缺乏稳健的随机对照试验，当前转化论据主要来自临床前研究与非CNS适应证的安全性数据。
9 THERAPEUTIC OUTLOOK AND CHALLENGES?
本节概括未来转化所需解决的问题，包括：精确控制硫酸化基序以获得特异性；优化跨BBB递送或借助生物材料支架局部递送；系统评估长期安全性与免疫原性；建立适用于复杂糖模拟物的监管路径；以及明确不会破坏HS天然结构的灭菌工艺。作者认为，未来方向可能包括精准工程化糖聚合物、多功能生物材料复合体系，以及联合基因或酶调控策略以共同调节GAG稳态。
10 CONCLUSIONS AND FUTURE DIRECTIONS
结论部分强调，GAG在卒中恢复中兼具屏障与促进双重属性，其中HS和CS最能体现这种二元性：前者驱动允许性可塑性，后者施加抑制性约束。卒中通过释放HS与HA片段激活免疫通路，同时促进富含CSPG的瘢痕形成，使组织陷入非再生状态。新兴糖模拟技术为扭转这一平衡提供了可能。通过模拟HS功能、稳定生长因子并削弱CSPG抑制，HS糖模拟物不仅在卒中中具有应用前景，也可能适用于ECM僵硬化与信号受损的神经退行性疾病。作者最后提出，应推动糖生物学、材料科学与再生神经科学的整合，以开发新一代糖模拟物，并探索与康复训练等策略联用的可能性。
