综述：糖萼重编程：免疫调节与再生医学中糖工程学的进展

本综述系统探讨了细胞表面糖工程学（Glycoengineering）这一转化医学关键领域的最新进展。文章深入解析了糖萼（GCX）的组成与功能，详述了遗传与非遗传修饰策略（如CRISPR/Cas9、代谢糖工程、生物正交化学），并重点讨论了其在癌症免疫治疗（如CAR-T）、器官移植、胰岛移植及心血管疾病中的治疗潜力与应用挑战，为开发精准靶向疗法提供了路线图。

　　

背景

细胞表面覆盖着复杂的受体网络，是细胞感知并响应外界环境信息的主要通道。其表面高度异质且动态，由蛋白质、脂质和碳水化合物（糖类）等共同构成，这些成分统称为糖萼（GCX）。糖萼在细胞通讯、免疫识别和组织再生中扮演核心角色。鉴于其动态特性和重要生物学功能，开发精确的糖工程学策略以调控细胞行为而不损害其功能与安全性，已成为生物医学研究的前沿焦点。

糖萼的组成与功能

糖萼是一种富含糖类的凝胶状层，包裹在哺乳动物细胞表面，被称为“甜壳”。它由糖蛋白、蛋白聚糖和糖胺聚糖（GAGs）动态交织而成，包括硫酸乙酰肝素（HS）、硫酸软骨素（CS）和透明质酸（HA）等关键组分。这些分子不仅提供结构支持，还作为细胞表面受体和共受体，与生长因子、趋化因子及细胞外基质成分相互作用，从而调控免疫应答、炎症反应和组织修复。

糖萼的物理化学属性（如厚度、分子拥挤程度和接枝密度）对其功能具有深远影响。例如，延伸且密集的糖萼可重组整合素形成纳米簇，促进稳定粘附和机械信号转导，而较薄或较稀疏的层则增强受体流动性，实现快速信号响应。这种生物物理调控凸显了糖萼不仅是化学支架，更是机械敏感的界面。

在不同细胞类型中，糖萼的功能各有侧重：内皮细胞糖萼调节血管稳态、凝血和免疫相互作用；上皮细胞糖萼维持屏障完整性；免疫细胞糖萼调控抗原识别和细胞 trafficking；肿瘤细胞则利用糖萼重塑（如过度唾液酸化）来逃避免疫监视。

病理修饰与糖萼降解

糖萼降解在炎症性疾病、癌症、移植排斥、神经退行性疾病和感染中起核心作用。结构改变会破坏细胞完整性、扰乱免疫信号并增强疾病进展。例如，在血管疾病中，内皮糖萼变薄会增加通透性，导致慢性炎症和血栓形成；在癌症中，肿瘤相关糖萼修饰（如唾液酸化糖蛋白和粘蛋白）可促进免疫逃逸、转移和治疗抵抗；在自身免疫性疾病中，糖萼重塑导致免疫失调；而在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）中，血脑屏障糖萼成分丢失会加剧神经炎症。

糖结合蛋白（GBPs）——免疫调节的检查点

糖结合蛋白（如选择素、Siglecs和C型凝集素受体）是免疫功能的关键调节者。它们通过识别糖基化受体介导白细胞迁移、病原体识别和抗原呈递。特别是Siglecs家族，通过结合唾液酸终止的糖链传递抑制信号，维持免疫稳态。病原体（如细菌和病毒）常利用宿主糖基化机制逃避免疫识别，而靶向这些相互作用已成为新兴治疗策略。

糖萼调节的治疗机遇

操纵糖萼相互作用为治疗创新提供了广阔前景。策略包括：在血管疾病中恢复糖萼完整性以减轻内皮功能障碍；在癌症中破坏糖萼介导的免疫逃逸以增强免疫治疗疗效；在再生医学中修饰干细胞糖萼以改善其存活和整合能力；在移植中保护移植物糖萼以减少排斥反应。随着精准糖工程学、基因工程和纳米医学的进步，下一代糖萼靶向疗法有望在免疫调节、组织修复和疾病管理方面取得突破。

细胞表面模式与组成的操纵

遗传修饰改变细胞表面糖链和GAGs

基因编辑工具（如ZFN、TALEN和CRISPR/Cas系统）实现了对糖基化途径的精确操控。靶向敲除（KO）和敲入（KI）策略可稳定改变糖链组成，例如CRISPR/Cas9介导的B4GALT1和ST3GAL4敲除可控制治疗性糖蛋白的 galactosylation 和 sialylation 谱。而CRISPR干扰（CRISPRi）和激活（CRISPRa）则能调控糖基因表达，从而微调糖基化网络。这些技术为生物制药生产和合成糖萼工程提供了强大工具，但临床转化仍需克服 off-target 突变、免疫原性和递送效率等挑战。

非遗传细胞表面修饰

非遗传方法通过化学、代谢和合成策略实现细胞表面糖链的功能化，可分为共价和非共价修饰。

共价糖链修饰

代谢糖工程利用细胞糖基化通路掺入非天然糖类似物（如ManNAz、GalNAz），再通过点击化学（如SPAAC）实现生物正交标记，从而促进靶向药物递送和成像。合成糖聚合物（如 mucin 模拟物）可定制糖链密度和受体聚类，影响细胞粘附和信号转导。生物正交功能化（如IEDDA反应）则支持快速、选择性 conjugate，用于肿瘤细胞标记和血管生物学研究。

非共价糖链修饰

非共价策略依赖于静电相互作用和疏水锚定，提供动态、可逆的修饰。例如，壳聚糖涂层可功能化干细胞糖链以增强组织工程相容性；胆固醇基糖链修饰可工程化免疫细胞以调节免疫应答；脂质体融合则支持大规模细胞膜功能化，用于药物递送和疫苗开发。这些方法的关键在于考虑膜流动性和更新，以最大化功能影响的持续时间和空间分布。

细胞表面糖链改变的酶学方法

酶法为糖萼重塑提供了强大工具。糖链切割策略（如使用糖苷酶、氧化酶）可用于血型转换、免疫调节和靶向癌症治疗。例如，α-N-乙酰半乳糖胺酶和α-半乳糖苷酶可去除红细胞A和B抗原，生产通用供体血；半乳糖氧化酶介导的糖链氧化则能实现肿瘤靶向 conjugate。糖链添加策略（如使用糖基转移酶、转谷氨酰胺酶和分选酶）支持合成糖萼工程、药物递送和免疫调节。例如，分选酶A介导的 sortagging 可将自身抗原 payload 连接到红细胞诱导免疫耐受；微生物转谷氨酰胺酶（mTGase）可附着脂肪酸修饰的聚唾液酸以增强间充质干细胞抗逆性。

将糖基化控制整合到合成生物学框架中（如诱导型基因电路和CRISPR/dCas9转录调节器）实现了可编程、刺激响应的糖链组成控制，支持程序化免疫逃逸、靶向细胞归巢和动态受体聚类等应用。

安装和去除糖链的治疗前景

癌症免疫治疗

肿瘤细胞表面糖基化显著影响治疗疗效。例如，PD-L1的N-糖基化会阻碍抗体结合，去糖基化可增强免疫检查点阻断信号；曲妥珠单抗-唾液酸酶 conjugate 能提高NK细胞介导的细胞毒性；糖链特异性CAR-T细胞（如靶向Tn-MUC1）在异种移植模型中显示疗效；岩藻糖基化缺陷的抗CD20单抗（如Obinutuzumab）则通过增强FcγRIIIa结合和ADCC提高临床疗效。

器官移植

糖工程学策略可改善移植物相容性和减少排斥。例如，免疫调节聚合物糖 conjugate（LPG-Q-Sia3Lac）工程化内皮糖萼可减轻缺血再灌注损伤（IRI）并提供局部免疫抑制；酶法去除α-Gal抗原可降低猪到非人灵长类肾异种移植的超急性排斥发生率；ABO抗原去除则支持ABO不相容肾移植，扩大供体池。

胰岛移植

胰岛表面工程可保护移植胰岛免受免疫攻击和炎症细胞因子渗透。聚乙二醇化（PEGylation）与FK506释放微球结合可减少即时血液介导炎症反应（IBMIR）标志物并延长移植物存活；肝素基涂层则能减少免疫细胞和血小板粘附。

心血管疾病

保护内皮糖萼完整性对预防心血管疾病至关重要。sevoflurane 可通过上调唾液酸转移酶表达促进糖萼恢复；磺达肝癸钠（sulodexide）治疗可改善内皮功能并减少蛋白尿；抗TNF生物制剂（如infliximab）能降低糖萼降解标志物。此外，生物正交 conjugate（如EPC-血小板靶向）和膜装饰微胶质细胞（如PM-MG-CPIL4）在心肌梗死和中风模型中显示治疗潜力，改善心脏功能和神经结局。

组学分析指导糖萼靶向治疗

转录组和蛋白质组分析揭示了疾病中糖萼重塑的分子特征。例如，GAG通路特征与癌症患者生存率降低相关；血浆蛋白质组学可识别内皮损伤生物标志物（如vWF）；IL-6阻断（如tocilizumab）在COVID-19和脓毒症中能保存糖萼厚度；五基因糖基化特征则可对神经胶质瘤患者进行预后分层。这些组学数据为开发精准糖工程学策略提供了基础。

挑战与未来方向

尽管糖工程学取得显著进展，但仍面临多个挑战：糖链修饰的密度和稳定性调控；安全性和生物相容性（如免疫原性）；生物正交反应的进一步优化；体内应用的效率和特异性；以及临床转化的可扩展性和符合GMP的生产流程。未来创新应聚焦于开发高保真、长寿命糖链锚定系统；建立完全非免疫原性糖链呈递平台；创建位点和刺激特异性糖萼编辑试剂；以及将糖工程学步骤整合到封闭式GMP制造管道中。

结论

细胞表面工程和糖工程学技术彻底改变了现代细胞治疗领域。通过共价和非共价策略、酶学和遗传干预，糖萼作为一个动态生物物理接口的功能得以揭示，其在免疫识别、受体聚类和信号转导中的调控作用日益清晰。展望未来，推进该领域需要深化机制理解和扩展技术能力，包括开发单细胞糖链分析技术、创建体内糖编辑工具包以及设计多模式平台。通过整合新型生物材料、精准糖工程学、先进基因电路和下一代分析工具，下一代细胞表面和糖萼调制策略有望重新定义我们在癌症、免疫疾病、移植、再生医学及其他领域的治疗干预设计。