英文原题：100th Anniversary of Macromolecular Science Viewpoint: Re-

Engineering Cellular Interfaces with Synthetic Macromolecules Using Metabolic Glycan Labeling

通讯作者：Matthew I. Gibson，University of Warwick

作者：Ruben M. F. Tomás and Matthew I. Gibson

细胞表面工程(即通过物理、化学、生物等手段实现对细胞表面成分的精准调控)是研究细胞代谢、分化、交流等基本行为的重要窗口，并有希望应用于新一代细胞成像技术和细胞疗法的开发。近年来已有许多成功的案例用于临床医学研究，包括在T细胞表面嵌合抗原受体(CRT)用于癌症治疗；修饰有PEG链段或特殊蛋白的“隐形”血红细胞用于逃避免疫识别并减少疟原虫的结合；利用胰岛细胞包被药物抑制异体移植排异反应等。在这些案例中使用到了多种精巧的细胞表面功能分子调控策略包括(1)利用基因工具调控细胞蛋白的表达，(2)利用蛋白质偶联策略，将聚合物与细胞表面的蛋白质位点结合或是(3)通过静电作用将带正电的大分子与带负电的细胞膜表面结合。然而上述策略在细胞相容性，改性目标的适用性，改性分子在细胞膜表面分布的均一性，以及膜表面改性分子的停留时间上仍然存在着各自的不足。近年来一种全新的可用于细胞表面分子选择性标记的方法，代谢寡糖工程(Metabolic oligosaccharide engineering，MOE)巧妙地利用了细胞代谢糖的途径将带有特殊化学基团的糖单元组装到细胞膜表面的糖萼中，从而在细胞膜上呈现可反应的化学基团。再通过生物正交反应，可将合成的聚合物和纳米材料安装到细胞表面(图1)。这一多样化的细胞表面改性工具引起了研究者的广泛兴趣。

图1 利用代谢糖标记将合成聚合物和纳米材料招募到细胞表面

最近，Ruben M. F. Tomás 和Matthew I. Gibson教授在ACS Macro Lett.杂志的“100th Anniversary of Macromolecular Science Viewpoint”系列评述中发表题为“Re-Engineering Cellular Interfaces with Synthetic Macromolecules Using Metabolic Glycan Labeling”的评论文章，讨论了MOE的发展现状，并将该方法与传统的细胞膜成分调控方法，如疏水性、蛋白质偶联和静电相互作用，以及酶和基因工具等进行了比较，以突出MOE在新兴细胞工程领域，如生物分子捕获、药物递送、微制造和免疫治疗等方面不断扩大的应用潜力。代谢寡糖工程(MOE)是Bertozzi和他的同事开创的一项技术，它通过非天然糖“劫持”了内源性多糖的生物合成或回收途径，将外源糖安装到细胞膜表面地糖萼中，从而在细胞表面引入各类官能团，如图2所示，后续可利用生物正交反应将目标性功能分子修饰到细胞表面，带来更多的功能。图2 利用非天然的多糖衍生物进行代谢寡糖工程，可以“劫持”内源性多糖类似物的生物合成途径，以安装生物正交“手柄”(R₁)从而进行化学选择性连接。R₂= OH或Ac。

文中作者指出虽然利用非代谢聚合物与内源性细胞膜成分的偶联在基于细胞的治疗方面具有巨大的潜力，但以内源性细胞膜成分为靶点具有很大的挑战。一些已报道的方法如将N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS)官能化的聚合物接枝到细胞表面具有亲核性(主要是胺或硫醇)的氨基酸侧链；利用LBL层层自组装将聚电解质沉积到带负电的外围细胞膜；以及将带有疏水脂质链段的聚合物插入细胞表面等存在细胞毒性高、膜保留时间短以及缺乏特异性等问题，从而限制了它们的应用。与之相比，MOE可以在天然生物条件下发生快速、均匀和有效的聚合物细胞偶联，细胞保持∼90%的存活率。此外，使用外源叠氮化物受体位点可以通过点击反应快捷、安全地安装聚合物材料，而不会造成细胞功能恶化，并且普遍适用于各种细胞类型(图3)。图3 非特异性结合和代谢细胞标记方法的比较

利用细胞表面代谢标记的多功能性在一系列生物技术和生物医学领域提供了机会，在这些领域中，精确结合可以更好地将功能引入细胞。作者列举了包括捕捉生物分子，通过安装可光切换的聚合物来控制细胞−细胞之间的相互作用，以及通过代谢寡糖工程传递聚合物纳米颗粒用于成像和药递送等不同应用场景。另外，本文还总结了MOE在细胞图案微加工中招募DNA适配体和控制三维微组织细胞间相互作用方面的应用现状，有希望开发用于体内修复的体外组织模型及材料。

文末，作者指出通过位点选择性连接方法将合成的聚合物材料与生命系统相结合是一个重要的机会。这是一个新兴领域，仍然存在以下挑战：(1)平衡细胞表面标记和摄取，以确保标记物在表面的停留时间(或需要时促进标记物的更新)；(2) 选择性地以单个聚糖或糖萼的位置为靶标；(3)不管在体内还是体外，都要确保与细胞之间连接的稳定性；(4)要考虑材料结合到细胞表面后对细胞功能的影响，以确保它们具有预期的被动性，但在需要时又具有主动性和响应性。

本研究的相关结果已发表于ACS Macro Letters, 并入选ACS Editors' Choice。

ACS Macro Lett. 2020, 9, 7, 991–1003

Publication Date: June 25, 2020

https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.0c00317

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