活体动物的细胞表面改造工程

　　

生物通报道：2000年3月，美国能源部Lawrence Berkeley国家实验室材料科学系的Carolyn Bertozzi和加利福尼亚大学的化学教授在Science杂志上的一篇论文描述了怎样用这种化学方法在不伤害细胞的情况下来对活细胞的表面多糖进行标记——就是著名的“Staudinger ligation”（一个叠氮化物和一个三氢化磷发生反应，形成一个Phosphazo化合物，名叫Aza-ylide）。这个技术可以在不干扰细胞生物环境的情况下，对培养的细胞进行一系列的标记。这个技术对于细胞间相互作用的基础研究，以及通过人造材料连接细胞的新技术中都很有价值。

   现在，这项工作被延伸到了一个令人非常激动的高度：用化学方法改造活体细胞表面。Bertozzi和她的同事们在活体小鼠中利用“Staudinger ligation”改造了细胞表面。这种标记活体中的细胞表面的技术，可以用于疾病治疗或者发育研究中用无创显像跟踪特定的细胞。

“我们现在进行的研究是史无前例的，这项研究可以使活体细胞在没有受到生理刺激的情况下发生一系列的化学反应，从而标记细胞表面”，Bertozzi说，“因为活体内部的反应极其复杂，这项技术一项特殊挑战。”研究人员在2004年8月19日出版的自然杂志上发表了他们的研究成果。

   Bertozzi认为，成功的关键在于这个反应的bio-orthogonality——在细胞表面人工诱导的生物：化学反应必需具有高度地选择性，并且必需在温暖、液体的生理条件下发生，同时，这些化学反应对细胞的生理功能不会造成影响。Staudinger ligation（施陶丁格连接）反应符合以上这些条件。这个反应发生在叠氮化物（azide）和磷化氢（phosphine）之间。叠氮化物和磷化氢作为许多药物的有效成分对机体无害。在生理条件下，两种物质混合后迅速发生化学反应。通过Bertozzi对反应方法适当的改良，两种物质的结合产物在生理条件下非常稳定。

这种技术关键在于将反应中两个起始物之一 ——叠氮化物呈递到细胞表面。在细胞培养中，这是通过加入一个包含叠氮化物基团的细胞表面唾液酸的多糖前体实现的，细胞加工多糖并将这个含有叠氮化物基团的多糖呈递到细胞表面。而在活体动物中，研究人员直接将这种前体注入小鼠腹腔，脾脏和其他器官吸收这种前体——后来检查富含唾液酸的脾细胞，发现上面有许多叠氮化物基团分布。

因为啮齿动物的血液中酯酶（esterase）含量较高，这些酶可能干扰体内含叠氮化物基团的前体转化。所以第一次实验是采用酯酶基因敲除的小鼠进行实验，最后研究人员发现野生型小鼠细胞表面表达的叠氮化物一样多，证明了酯酶不会抑制机体对含叠氮化物前体的转化。

反应的另一半起始物——磷化氢可以偶联各种标记分子。为了保证实验的成功，Bertozzi和他的同事们采用了一种蛋白肽标记，这种肽可以被荧光偶联抗体识别。

“在不久的将来，“Staudinger ligation”可以在无创显像领域得到广泛的应用，”Bertozzi谈到。“磷化氢偶联标记可以是同位素，以便进行正子断层扫描；也可以是磁性分子以便进行磁共振造影；还有用结构独特的纳米晶等其它方法进行标记。这些标记物可以通过注射的方法进入活体器官内，用于寻找定位具有特定糖基化模式的细胞——例如癌症细胞表面糖基化模式、或者炎症细胞。

   在小鼠体内发生的施陶丁格结合反应的结果可以为疾病的诊断和治疗提供更加广阔的空间，而且这个反应本身也可作为将来标记活生物体内化学反应的水平的重要工具。