南大丁霖/南工大王晓剑《自然·通讯》：活细胞表面，原位聚合！

活细胞表面工程

活细胞表面工程是利用化学、生物和/或材料科学方法来调整细胞表面景观并调节细胞功能的策略。人工聚合物不仅能够模拟天然生物大分子结构和功能，也能展示天然大分子难以呈现的生物物理和生物化学线索。用人工聚合物工程化的哺乳动物细胞不仅可以为理解复杂生物系统的组织及其生理功能提供丰富的模型，还可以推进人类细胞和组织的工程在移植、个性化细胞治疗、再生医学、药物递送以及生物传感/生物成像方面的发展。

细胞表面工程（来源：Weily出版社）

细胞表面聚合物工程最常见的方法是通过脂质插入、静电吸附和共价键将合成聚合物连接到细胞膜上。然而，天然细胞大分子（如蛋白质、聚糖）和人工聚合物的空间位阻可能导致接枝效率有限。与合成聚合物相比，小单体可以更容易地突破天然大分子的空间屏障，到达细胞表面并进行原位聚合。然而，目前大多数基于聚合物的细胞表面工程方法忽略了移植物位点对工程细胞的影响。考虑到细胞表面明显的空间异质性和复杂的分子组成，迫切需要开发能够将聚合物锚定到特定细胞位点的技术，以使这些聚合物能够准确准确地执行预定义的功能。

位点选择性原位聚合策略

在此，南京大学丁霖教授和南京工业大学王晓剑教授等人报道了一种用于活细胞表面工程的生物位点选择、原位控制的自由基聚合平台。该方法利用代谢标记技术限制聚合物的生长位点，并设计了具有细胞相容性的Fenton-RAFT聚合技术。研究发现，生长在不同位置（聚糖、蛋白质、脂质）的聚合物具有不同的膜保留时间，可对细胞聚糖的识别行为表现出不同的影响。更重要的是，研究还实现了糖单体在细胞膜最外层天然聚糖位点的原位共聚，构建了具有独特识别特性的仿生糖萼（glycocalyx）。相关工作以“Site-selected in situ polymerization for living cell surface engineering”为题发表在Nature Communications。

【文章要点】

在先前的一项开创性的工作中，研究以非共价的方式将链转移剂（CTA）插入Jurkat T细胞膜中，从膜引发受控自由基聚合（CRP），为解决细胞表面聚合物修饰的空间位阻问题提供了思路。而在本项研究中，作者的目标是通过控制CTA在细胞表面的接枝位置来实现聚合物定位。受生物正交化学报告基因技术的启发，具有生物正交基团的代谢标记试剂可以通过劫持特定的细胞内合成途径选择性标记生物位点，因此作者将代谢标记和点击反应结合起来以期实现CTA在细胞表面的装配。对选定类型的生物分子的共价修饰避免了对细胞的不必要干扰，并提供了生长的聚合物在细胞膜上更稳定的连接和更长的保留时间的优点。

然而，活细胞表面的原位聚合存在着许多困难：（1）细胞活力难以维持；（2） 细胞表面环境高度复杂，经常导致聚合抑制行为的发生。因此，作者选择利用氧化还原响应的Fenton可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合系统，该系统具有相对温和的试剂、水性和室温反应条件，以及非常短的诱导时间，有望建立具有活细胞相容性的CRP平台。

图1 SSP示意图

因此，作者所开发的氧化还原引发的CRP策略可在活细胞表面的选定位点触发聚合的发生，该策略被称为位点选择原位聚合（SSP）。具体来说，作者通过代谢标记在细胞膜的不同位点（聚糖、蛋白质、脂质）引入生物正交基团，用于CTA安装，然后进行Fenton-RAFT聚合，在选定的位点原位构建聚合物（图1）。

以Jurkat T细胞为模型，研究发现聚合后细胞骨架和各种生理功能得到了很好的保存。同时，在不同位点生长的聚合物对细胞表现出不同的作用，使作者能够通过选择生长位点来赋予T细胞对凝集素诱导的细胞凋亡的抗性（图2）。作者还在活细胞上原位生长不同组成的共聚物，以介导配体在选定位置的纵向组装。更有趣的是，聚糖修饰的单体在细胞天然聚糖链末端的共聚可在活细胞上构建仿生糖盏，而引入的聚糖可以重塑细胞的识别功能，并可以在原位进一步重塑。这项工作为研究和调节细胞与细胞外物质的相互作用提供了一个通用的平台。

图2 在活细胞上原位生长聚合物的生物学效应

【结论与展望】

在该项研究中，作者开发了一种细胞相容性的Fenton-RAFT聚合技术，并通过代谢标记在活细胞的选定位置进一步建立了原位聚合平台。聚合后的Jurkat T细胞保持了优异的细胞活力，细胞骨架和免疫活性基本不变，细胞内ROS、DNA和蛋白质水平以及细胞代谢和增殖能力没有受到显著影响。研究发现，聚合物生长位点（聚糖、蛋白质、脂质）的选择对聚合物在细胞表面的保留时间和细胞聚糖与凝集素的多价结合具有不同的影响。特别是，从糖位点生长的聚合物可以有效抑制凝集素诱导的T细胞凋亡，这为基于聚糖轴的免疫调节提供了一种创新的方法。作者使用所提出的平台在活细胞上合成了多种共聚物，首次使糖单体能够在哺乳动物细胞表面原位聚合。这些仿生糖萼具有不同于天然糖萼的独特识别特性。该工作为基于聚合物的细胞工程技术的发展提供了新的思路，为细胞功能和行为的调节开辟了进一步的维度，并在细胞和组织工程以及基于细胞的疾病治疗方面展现出了巨大的潜力。

来源：BioMed科技

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！