苏州大学陈红/陈高健Chem. Sci.综述：合成分子修饰哺乳动物细胞表面的进展

近日，苏州大学陈红教授、陈高健教授在学术期刊Chemical Science上发表题为Advancing cell surface modification in mammalian cells with synthetic molecules的综述。文章回顾了利用合成分子修饰细胞表面的最新进展，并分别讨论了不同的修饰策略及其在生物医学中的应用。同时对这一迅速发展领域当前的挑战和未来潜在的机遇进行了展望。该文章旨在向从事功能分子合成和生物医学跨学科研究的同行介绍利用合成分子修饰细胞表面的最新进展，促进化学和生物医学这两个领域的交流与合作。苏州大学博士研究生杨贺为本文第一作者，苏州大学陈红教授和陈高健教授为文章共同通讯作者，苏州大学博士研究生王亦陈和硕士研究生姚丽华参与了本文的撰写。

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哺乳动物细胞（以下简称为“细胞”）作为生物体的天然成分，因其独特的生物合成能力、信息传递能力和迁移能力等特性，在生物医学领域备受瞩目。细胞膜由脂质、蛋白质、碳水化合物及其复合物组成。复杂的细胞表面为对其进行再修饰提供了大量机会，也为促进天然细胞在生物医学中的应用提供了有力手段。近年来，研究者们开发了多种策略进行细胞表面修饰，本文将其分为化学共价修饰策略、物理修饰策略和生物正交合成策略三大类（图一）。而文中讨论的合成分子包括特定官能团、合成功能小分子、合成聚合物、合成纳米颗粒、合成涂层和合成DNA等。

图一. 哺乳动物细胞表面的修饰策略。（A）化学共价修饰策略。（B）物理修饰策略。（C）生物正交修饰策略

化学共价修饰利用细胞膜表面的化学反应官能团完成。细胞膜表面具有多个可用于化学共价结合的官能团，例如蛋白质或糖残基中的胺、硫醇和邻近二醇基团等（图二）。化学共价修饰策略的主要优点是合成分子可以通过共价连接相对稳定地修饰在细胞表面，而且通常无需对细胞进行预处理。然而，由于细胞膜表面的蛋白质或多糖往往也具有一定的功能性，因此直接通过化学共价连接修饰具有反应性官能团的细胞膜，存在损害细胞膜功能的风险。因此，在采用该策略时，需要重点关注修饰前后细胞活力和细胞功能的变化。

图二. 通过细胞膜表面官能团进行化学共价修饰的示意图

除了化学共价修饰策略外，疏水插入、膜融合、静电相互作用和逐层自组装等物理方法提供了通用且简单的方法，可以在保持细胞活性和功能的同时将合成分子引入细胞膜。

图三. 通过疏水插膜的细胞膜修饰策略

图四. 基于逐层自组装的细胞膜修饰策略

尽管细胞膜表面有大量适合化学共价修饰的官能团，但使用这种非特异性的共价修饰可能对正常细胞的活力和功能产生不良影响。此外，物理策略往往受到合成分子在膜表面停留时间短的限制。相比之下，生物正交化学提供了一种高效的和选择性的方法，可以在温和的生理环境中进行，而不会破坏细胞本身的生化过程。该策略在细胞活力和修饰稳定性方面均具有一定的优越性。在这里，作者概述了代谢糖工程与无铜点击化学、Halo-Tag蛋白和酶介导修饰方法的最新进展。

图五. 基于代谢聚糖标记的细胞膜修饰方法

图六. 基于Halo-Tag蛋白和基于酶作用的细胞膜修饰策略

最后，本综述探讨了该领域目前仍存在的挑战以及未来展望。挑战包括合成分子作为外源性材料可能对细胞产生的不良影响；修饰后的细胞状态和修饰分子的充分表征；具有生物相容性和增强功能的分子设计，特别是针对最佳化学基团、结构和序列的研究；以及合成分子修饰在细胞膜之后的后续命运的关注等。潜在的未探索领域包括开发更精密和更具特异性的方法，以相容性和选择性的方式将合成分子修饰到细胞表面；还需要进行更多研究，以更好地了解合成分子对细胞功能的影响，并优化针对特定细胞类型和特定应用的定制修饰策略；合成具有更佳生物相容性和强大生物功能的合成分子，使其能够应用于细胞表面的修饰，包括但不限于功能性核酸和具有明确结构和链序列的聚合物；最后，利用人工智能来帮助设计针对特定应用最佳的定制分子，以用于细胞表面的修饰也是一个有趣的方向。

该工作得到了国家自然科学基金（21935008, 22171203）、江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）的支持。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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