《JACS》：首次实现在活细胞表面合成树枝状分子

来源：材料科学前沿

随着生物正交化学的快速发展，细胞生物学与有机合成化学之间的界限正不断被突破，传统意义上的有机合成一般利用有机溶剂实现溶液相反应并采取色谱等方法分离提纯，而生物体内所存在的生物合成反应一般处于水相中并且多依赖温和的酶催化条件。随着越来越多生物正交化学反应的发现，许多非天然产物得以在生物体内甚至活细胞内实现原位合成，为生物分子的原位标记提供了可能，这不仅促进了人工修饰/功能化活细胞技术的发展，为分子生物学研究创造了新的条件，更为前体药物的开发创新提供了新的思路。

树枝状分子一般具有规整的三维结构，高密度的官能团，以及多种内部结合位点，常被用于例如有机小分子、生物大分子、及放射性同位素等药物的载体并用于生物学和医学研究中，然而由于树枝状分子合成难度较大，且传统树枝状分子水溶性较差，因此树枝状分子在生物体内的原位合成此前从未被报道过。近期中科院深圳先进技术研究院的张一川、耿晋以及英国爱丁堡大学的Mark Bradley等人通过生物正交化学的方法，成功实现了世界首例活细胞表面合成的树枝状分子的研究工作。具体成果以“Bioorthogonal Swarming: In Situ Generation of Dendrimers”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》。

作者利用化学修饰的抗体（Herceptin）识别肿瘤细胞表面抗原，将构建树枝状分子的起始位点引入活细胞表面，并通过一系列生物正交反应将活性位点以指数形式扩增，在构建了树枝状分子的同时直接在细胞表面产生大量原本不存在于生物体内的活性可修饰位点，为进一步接枝药物或荧光分子提供了载体；另一方面，随着树枝状分子的分子量增长，树枝状分子可以逐渐生长成为纳米颗粒，以上都为进一步的分子生物学研究以及疾病诊疗提供了有效的理论及方法学支持。

本文要点：

1）作者首先设计合成了三种多支化，双官能基团的生物正交构建基元，这些构筑基元中官能基团主要包含四嗪、冰片烯（四嗪与冰片烯能够在水相室温条件下高效特异性偶联）、醛基以及羟胺结构（醛与羟胺能在生物环境下高效偶联），用以实现生物体内构筑基元之间的偶联，同时构筑基元分子中都引入了大量的酰胺以及乙二醇类结构用于增加体系在水中的稳定性。基于高效的生物正交化学反应体系，只要将三种构筑基元分子按顺序加入细胞培养基中即可快速实现树枝状分子的原位构建。

2）通过一系列的条件优化及筛选，作者最终确定了用于细胞表面构建树枝状分子的最佳浓度并将该体系应用于荧光标记细胞的信号增强。通过一系列树枝状分子结构的依次构建，第一代及第三代树枝状分子接枝荧光标记物的数量分别增加了3倍和18倍，并且从共聚焦荧光显微镜照片以及流式细胞仪定量分析结果都可以明显看出肿瘤细胞的荧光强度得到了显著增强。

3）更为重要的是，我们发现许多被树枝状分子修饰的细胞表面出现了类似于纳米粒子结构的荧光“热点”，说明树枝状分子间可以自发发生组装/聚集等超分子行为，此发现将为人工合成细胞器提供新的研究思路。

综上所述，本项研究通过生物正交化学手段成功在活细胞表面实现了树枝状分子的原为构建，在成功实现活细胞荧光成像信号增强的应用的同时，为细胞内合成纳米材料提供了新的研究思路，同时可以设想，如果树枝状分子密度达到足够高的程度就可能实现树枝状分子间的交联从而实现进一步的细胞包覆，从而达到单细胞捕获以及疾病诊疗等目的。

参考文献：

Zhang, Y. et al. Bioorthogonal Swarming: In Situ Generation of Dendrimers. Journal of the American Chemical Society (2020).

DOI：10.1021/jacs.0c07869

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07869

名称：材料科学前沿

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