用聚糖修饰纳米材料可以提高溶解度和生物相容性，降低细胞毒性，同时允许多价聚糖呈递。
鉴于多价性在糖生物学中的核心作用，糖基化纳米材料是研究细胞、组织和有机体相互作用的有趣探针。纯粹由聚糖组成的纳米材料，例如多糖纳米颗粒或纳米晶体，是有趣的成像剂、药物递送系统和组织支架，展示了聚糖在纳米技术中的潜力。
糖蛋白和糖脂是天然的糖缀合物，它们利用糖-蛋白质或糖-糖相互作用参与细胞通讯、炎症和免疫反应。某些聚糖序列是癌症、哮喘和糖尿病等疾病的特征标志物。阐明分子机制需要模仿聚糖在细胞表面呈递的工具。
个体蛋白质-糖相互作用通常具有低亲和力和广泛特异性，这使得描述聚糖功能变得复杂。自然界通过利用多价相互作用来增强特异性。生物分子上糖残基的数量和呈递方式是配体与细胞表面受体结合亲合力的主要决定因素。从单价到多价的转变通常与亲和力/结合亲合力的更大变化相关，这表明存在一种“阈值效应”，在某些情况下还存在协同性。
为了阐明这些机制，聚糖必须以更接近细胞尺度的场景中展示。“纳米技术”从埃级转向纳米级（从约 10−10 到约 10−7 米），提供了创建、操纵和表征这些尺度结构的工具。
糖纳米材料的类型和应用
基于金属颗粒、半导体或碳基支架的糖纳米材料利用了纳米尺度的独特物理性质，例如催化、光子、电子或磁性等在宏观中看不到的性质。聚糖部分确保了水溶性、在水和生物缓冲液中的卓越稳定性、生物相容性、结构多样性以及被动和主动靶向特性。因此，生成了提供多价聚糖呈递的生物相容性纳米材料，用于传感和药物递送应用。
纯粹基于多糖的纳米制剂也得到了开发。壳聚糖、葡聚糖、透明质酸和肝素等多糖已产生了多糖基纳米颗粒 (NPs)，用于药用，具有优越的生物相容性和生物降解性。与合成聚合物相比，多糖基 NPs 的低毒性、低成本和易于化学修饰是额外的优势。这些糖纳米材料目前用于药物递送和组织工程，电子和设备应用正在兴起。
无机纳米颗粒
基于无机纳米结构和生物分子的混合材料是纳米技术的一个主要焦点。氧化铁、贵金属和半导体纳米颗粒充当合成支架，将聚糖多聚化并增强对受体的亲和力。这些混合材料的物理性质，例如磁性或荧光，产生了传感、递送和成像方面的应用。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 58.1：通过将聚糖偶联到各种纳米材料表面而创建的不同类型糖纳米材料的概述。
金纳米颗粒
独特的光电特性和简便的化学修饰使金纳米颗粒 (AuNPs) 成为监测生物结合事件的重要工具。用聚糖对 AuNPs 进行功能化可生成具有高水溶性/分散性和生物相容性的材料。AuNPs 中电子集体振荡（等离子体）与入射电磁辐射之间的共振产生了局域表面等离子体共振 (LSPR)。金表面等离子体带的共振频率位于可见光区域（400–750 nm），产生了颜色效应。高表面积/体积比导致高 LSPR 灵敏度和比色变化，使 AuNPs 成为极有价值的分析报告工具。
AuNPs 是通过用柠檬酸钠还原金盐并用“封端”剂进行表面修饰来生产的。通过调整反应条件来调谐尺寸、形状和形态，从而能够进入近红外 (NIR) 光谱。利用 AuNPs 的 LSPR 进行比色糖-凝集素分析通常使用10纳米的颗粒，这些颗粒用硫醇-聚（乙二醇）（thiol-PEG）醛封端，并用简单的单糖或双糖修饰。AuNPs 与蓖麻凝集素 (RCA120) 或霍乱毒素诱导了可逆的颜色变化。
直接可视化是生物学中一个特别吸引人的特征。稳定的胶体金最早由法拉第于1857年描述，但直到1970年代免疫金染色程序用于通过透射电子显微镜 (TEM) 观察微生物时才应用于生物学。使用甘露糖基化 AuNPs 的免疫金染色允许用户探究巨噬细胞介导的内吞作用中的补体激活和调理作用过程。通过 TEM 可视化了糖-蛋白质相互作用，这归功于甘露糖基化 AuNPs 靶向大肠杆菌 1 型菌毛甘露糖特异性受体的能力。
可以通过在糖基化硫醇配体存在下还原金盐来制备非常小的金糖纳米颗粒（图58.2）。配体密度和组成可以精确调整。这些糖纳米颗粒保留了配体的化学性质，并且可以有利地通过紫外-可见 (UV-Vis) 光谱、红外 (IR) 光谱、元素分析、核磁共振 (NMR)、TEM 和 X 射线光电子能谱 (XPS) 进行表征。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 58.2：（左）一个 2 nm 大小的金糖纳米颗粒的计算表示，由 102 个金原子组成，并涂覆有 44 个 5-巯基戊基 α-D-吡喃甘露糖苷分子，（右）相应的透射电子显微镜 (TEM) 图像。
较小的糖簇缺乏 LSPR 带，但可以通过 TEM 观察。AuNPs 的可视化有助于明确证明一些微弱的、先前有争议的效应。例如，Lex 修饰的 AuNPs 为钙介导的糖-糖相互作用的存在提供了视觉证据，并被用于探索糖介导的海绵细胞自组装的潜在机制。
小型金糖纳米颗粒有助于澄清多价糖识别的机理方面，并已被用作抗粘附剂来预防黑色素瘤转移、作为疫苗候选物以及用于细胞和分子成像。
磁性纳米颗粒
磁性纳米颗粒 (MNPs)，包括氧化铁和氧化锰纳米颗粒，是有趣的磁共振成像 (MRI) 对比剂。MRI 可以通过使用射频 (RF) 诱导的电磁场生成内部断层组织图像；MNPs 对该场信号的调制（即所谓的“对比度”）有助于检测它们的位置。在临床实践中，钆配合物通常用作 MRI “对比剂”。MNP-生物分子杂化物通常更灵敏，因为它们可以加载多个相同配体的拷贝以实现更好的受体靶向。可以通过连接标签（即荧光染料）来实现多模式成像，从而允许额外的检测模式。
MNPs 的表面功能化对于分子特异性结合和“分子 MRI”至关重要。抗体因其卓越的特异性而被广泛用作靶向配体，但存在成本高、由于热不稳定而寿命短以及潜在免疫原性等问题。结构明确的配体，如聚糖，提供了一个有吸引力的替代方案。
糖基化 MNPs 通过成功模仿炎症过程中的白细胞募集来检测早期疾病（参见图58.2）。通过利用其高表面/体积比，糖基化 MNPs 可以展示多个寡糖拷贝，从而增加结合相互作用的多价性。四糖唾液酸-路易斯 x (SLex) 功能化的 MNPs 成功地靶向 E/P-选择素。值得注意的是，SLex-MNPs 在体外和体内都检测到炎症事件，而没有任何显著的细胞毒性相关迹象。特异性结合血管的活化内皮允许检测临床相关的小鼠脑卒中模型中的病变（图58.3）。糖类比抗体配体更容易实现跨物种功效。因此，糖基化 MNPs 可以更容易地从哺乳动物模型转化到临床。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 58.3：（A）使用 SLex-MNPs 对大鼠 E-选择素的体外结合研究；（B）SLex 磁性纳米颗粒的磁共振图像 (MRIs) 及其 3D 重建。（改编自 van Kasteren SI, et al. 2009. Proc Natl Acad Sci 106: 18−23.）
量子点
量子点 (QDs) 是发光半导体纳米材料，通常由二元硒化镉或硒化锌或硫化物制成。
QDs 可以在整个光谱中发光，并且它们的光学性质可以根据尺寸进行调节。
与有机染料相比，QDs 还具有更宽的激发光谱和更尖锐的发射带，允许使用单一激发源进行多组分分析。用羧甲基葡聚糖和聚赖氨酸功能化的糖基化 QDs 用于研究糖-蛋白质相互作用。添加麦芽糖修饰的树枝状聚合物使 QDs 水溶性和生物相容性，同时增强了稳定性。
使用主客体策略，制备了 β-环糊精-量子点 (β-CD-QDs)。合成的 β-CD-QDs 的行为很像聚乙二醇化 (PEGylated) QDs，并凝集了伴刀豆球蛋白 A (ConA)、雪花莲凝集素 (GNA) 和花生凝集素 (PNA) 等凝集素。
碳基糖纳米材料 #201
糖树枝状聚合物 #200
多糖基纳米材料 #199
糖纳米材料在诊断和治疗中的应用 #198
