综述：超支链多糖——从空间结构到生物活性：综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Hyperbranched polysaccharides—From spatial structure to biological activity: A review

本文综述了超支化多糖（HBPS）的结构分类、化学及酶法修饰策略，探讨其结构-活性关系，并分析HBPS在免疫调节、抗炎、抗氧化等生物活性中的分子机制，最后讨论当前研究的局限与未来方向。

　　

周汉|王丽萍|王琴|马张国|范青|张敏|刘克海

上海海洋大学食品科学与技术学院，中国上海201306

摘要

与线性多糖相比，超支化多糖（HBPSs）由于其独特的结构而表现出更强的生物活性。本文综述了它们的结构分类、修饰策略、结构-活性关系以及最近在生物功能方面的进展。HBPSs具有多种构象，包括树突状、球形和梳状结构，这些结构与其功能特性密切相关。化学和酶法修饰进一步提高了它们的生物活性，而分支结构、球形构象和分支程度等参数对其与细胞受体的相互作用具有关键影响。最后，本文讨论了当前的限制和未来展望，为HBPSs的合理设计和功能优化提供了理论基础。

引言

多糖是由单糖单元通过糖苷键连接而成的碳水化合物大分子，它们表现出广泛的结构多样性[1]。先前的研究表明，这种多样性源于单糖组成、糖苷连接模式、糖序列、链长、分支程度、侧链分布和取代基团的变化[2]。因此，多糖结构从简单的线性链（单糖通过一种类型的糖苷键连接）到高度分支的形式（从主链上延伸出不同长度和组成的多个侧链）不等，从而形成网络状或树突状结构。这种结构多样性是其功能多样性的基础，也是多糖表现出广泛生物活性的原因。此外，多糖是传统中药中的重要生物活性成分，有助于改善病理状况和维持健康[3]。它们在自然界中广泛存在，存在于动物、植物和微生物中[4]。

超支化聚合物（HBPs）是树突状聚合物的一个独特子类，具有良好的溶解性[5]。分支聚合物和线性聚合物之间的主要结构区别在于，分支聚合物具有分支的分子结构，而线性聚合物由连续的线性链中的单体单元组成[6]。其中，超支化多糖（HBPSs）是HBPs的一个重要子类。它们通常被定义为分支程度（DB）至少为10%的多糖，其特征是高度分支的三维结构、丰富的末端官能团和不规则的分支单元分布。在结构上，它们与轻微分支的多糖（DB < 10%）和树突糖蛋白不同，后者表现出更规则和明确的分支模式[7]。HBPSs可以分为天然型、合成型和半合成型。天然HBPSs由通过糖苷键连接的单糖单元组成，在生物体内广泛存在，通常具有良好的生物相容性。相比之下，合成HBPSs是通过共价键合人工设计的单体制备的，通常结构控制和生物相容性有限。半合成HBPSs通常是通过化学修饰从天然多糖衍生而来的。与合成和半合成HBPSs相比，天然HBPSs具有多个优势，包括丰富的可用性、高安全性、良好的生物活性和生物相容性以及良好的生物降解性，使其成为食品、制药和生物材料领域的有希望的候选材料[8]。

近年来，关于多糖生物活性的研究主要集中在分子量、单糖组成和糖苷连接模式等因素上。图1总结了这些结构特征与生物活性之间的关系。尽管这些因素被认为是多糖活性的重要决定因素，但超支化结构也起着关键作用。HBPSs比其线性对应物表现出更高的生物活性，而且分支结构已被证明可以增强这些效果。例如，来自灵芝和其他来源的分支多糖，包括具有β-1,3和β-1,6连接的β-葡聚糖以及由葡萄糖、甘露糖和半乳糖组成的多糖，在调节糖脂代谢和减轻炎症方面比线性形式更有效[9]。同样，从黄芩中分离出的SPS01–2是一种高度分支的AG-II，其分支点位于O-3位置。它以剂量依赖的方式增强巨噬细胞的增殖、吞噬作用和免疫因子的产生。部分酸水解去除这些分支键会显著降低其免疫刺激活性，进一步表明了分支结构的重要性[10]。来自菠萝蜜多糖的研究也表明，分支程度的变化与生物活性的差异密切相关。具体来说，高度分支的多糖采用紧凑、密集分支的构象，增加了分子表面积并暴露了更多的活性位点，这促进了与细胞受体的相互作用，激活了信号通路并增强了免疫调节等生物效应。相比之下，在低分支情况下，多糖倾向于采用更规则的线性结构，在抗氧化活性方面具有优势，能够更有效地清除自由基[11]。

天然多糖经常被修饰以进一步优化其结构和功能特性[12]。这些修饰方法通常可以分为物理、生物和化学方法。物理修饰通常通过纳米粒子吸附和交联等过程实现，以形成复合材料，从而改变其结构和活性[13]。生物修饰涉及酶处理，通过改变多糖的分子量来影响其乳化特性[14]。其中，化学修饰是最广泛用于调节生物活性的方法，因为它能够改变官能团、控制多糖降解、重构分支结构并提高溶解性[15]。例如，猪苓中的多糖由于其长分支链而缺乏抗肿瘤活性。然而，受控的氧化和水解过程可以缩短这些分支，从而改善抗肿瘤效果[16]。由于HBPS末端含有大量的羟基，便于进行各种衍生反应，因此其结构修饰主要通过化学修饰实现。

目前，大多数关于HBPSs的综述主要集中在它们的来源分类上，对其详细的结构特征、修饰策略和结构-活性关系的关注相对有限。在这方面，本文系统地总结了HBPSs的结构特征，并强调了对其结构相关生物功能的最新理解进展，特别强调了结构驱动生物活性的潜在机制。值得注意的是，HBPSs独特的超支化结构及其高可修饰性使它们能够在细胞间信号转导、细胞间粘附维持和免疫识别等过程中发挥独特的调节作用。这些特性共同赋予了HBPSs广泛的应用潜力。总体而言，本文旨在提供一个全面的视角，并激发对HBPSs的进一步深入研究。

部分内容摘录

不同结构类型的HBPS

HBPSs在各个领域的潜在价值源于其显著的结构多样性。作为一类分支大分子，HBPSs与树突状聚合物具有核心的结构相似性[17]。具体来说，树突状聚合物的结构演变遵循一个明确的模式：随着分支层数的增加，分子直径线性扩展，整体构象逐渐趋于球形。此外，每个额外的分支

具有不同结构的HBPS的活性差异

HBPS的生物活性与其结构特征密切相关，关键结构参数的变化会导致生物活性的显著差异。然而，一些最近的研究并未明确区分粗提物、部分纯化的组分和纯HBPS。此外，共提取组分（如蛋白质、酚类和黄酮类）的影响往往被忽视。这些杂质本身也可能表现出生物活性。

HBPS的生物活性

HBPS表现出广泛的生物活性，包括免疫调节、抗炎、抗氧化、抗肿瘤和降血糖作用，这主要归因于它们独特的拓扑结构[109]。这些活性与多种细胞内信号通路的调节密切相关，如NF-κB、MAPK和PI3K/Akt[110]。在分子水平上，HBPS主要通过与特定细胞表面受体的相互作用来发挥其作用，从而触发

结论与展望

总体而言，由于复杂的结构和多样的功能特性，HBPS比具有简单结构和较长链的线性多糖具有更大的研究价值。它们的生物活性与结构参数密切相关，包括分支程度（DB）、分子构象和分子量。例如，SAP-3具有高度紧凑的结构，空隙空间最小，其复杂的分支结构可能增强分子间相互作用，

CRediT作者贡献声明

周汉：撰写——综述与编辑，撰写——原始草稿，方法学，研究，概念化。王丽萍：方法学，研究。王琴：方法学。马张国：方法学，研究。范青：可视化，验证。张敏：可视化，验证，资金获取。刘克海：可视化，验证，资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文工作的财务或个人利益冲突。

致谢

得到了CSPFTZ临港特殊区域海洋生物医药创新平台和2025年卡拉玛依科技计划项目-技术创新指导计划项目（2025CA0021）的资助。