活体细胞成功实现表面重塑

bobo

日期: 2004-08-23 今日/总浏览: 1/420
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　　2004年8月19日出版的《自然》杂志刊登了美国劳伦斯·伯克利国家实验室材料科学部研究人员ＣａｒｏｌｙｎＢｅｒｔｏｚｚｉ及合作者的最新研究成果：利用“施陶丁格捆绑”反应，在老鼠活体内得到了表面被重塑的细胞。这种在活体细胞表面进行标记的能力将拓展发育生物学研究，实现对特定细胞的非侵入性成像以及促进疾病治疗。
% _. c1 f* f' A4 S7 z9 Q４年前，Ｂｅｒｔｏｚｚｉ和加州大学伯克利分校一位化学教授发明了一种人为介入细胞表面的方法，能够控制细胞表面的糖参与改性化学反应，这一著名的反应被称为“施陶丁格捆绑”。
' }# i& ]% W# d8 ]这一技术使得科学家能够在不破坏活细胞生物环境的前提下，在活细胞表面附加各种标记。这对于细胞反应的基础研究以及未来开发向合成材料和器件中植入细胞的技术都是非常有价值的。
5 y0 a* D. y0 r/ r“这项技术是史无前例的，利用它改造活动物细胞，可以仅仅通过化学反应实现而不造成生理损害，”Ｂｅｒｔｏｚｚｉ接受媒体采访时说，“它同时也是个巨大的挑战，因为活的动物是一个极其复杂的‘反应容器’。”
8 b) D* B& t- T; Z要在活细胞体内成功实现细胞表面改造，关键在于引入一个“生物正交反应”，也就是向细胞表面人为引入的化学反应必须能在暖湿的生理环境中发生，具有高度的选择性，同时又不能产生有害的生物效应。  P+ R- ^: ^2 F
“施陶丁格捆绑”满足了所有上述要求。该反应在叠氮化物官能团（一族含３个氮原子的化合物）和磷化氢（含一个磷原子的分子）之间产生。这两种物质都没有生理毒性，事实上它们都是一些药物的有效成分。按照Ｂｅｒｔｏｚｚｉ设计的实验方法，两种物质在生理条件下迅速产生反应，并且反应产物十分稳定。
3 r' |. a6 P$ S  I0 N实验的巧妙之处在于使“施陶丁格捆绑”中的一半――叠氮化物显现到细胞表面上。研究人员向老鼠腹部注射了一种低聚糖前体――其中包含具有叠氮化物官能团的硅铝酸。结果在老鼠的脾脏和其他一些器官中发生了反应，细胞产生了大量硅铝酸糖，在细胞表面出现了很多叠氮化物。
+ L7 c- J4 g) p& c; A“施陶丁格捆绑”中的另一半――磷化氢则可以附着到各种标记物上。Ｂｅｒｔｏｚｚｉ介绍说，“正电子Ｘ射线断层影像能够捕捉的放射化学试剂、核磁成像需要的磁性分子、具有独特光学性质的纳米晶体等都可以制成磷化氢标记。可以将这样的标记物注射到器官中，找出那些具有特定糖基化形式的癌细胞或炎症细胞。”因此，“施陶丁格捆绑”在非侵入性成像领域将大有用武之地。  X# l, |! ]9 T9 v( }# {7 l$ r
除了诊断和治疗方面的应用潜力，“‘施陶丁格捆绑’也将是利用化学反应对活动物进行生物学研究的‘一柄利器’。”* a$ u4 i( r7 {5 |/ e0 \2 ^! U
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2000年3月，美国能源部LawrenceBerkeley国家实验室材料科学系的CarolynBertozzi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“Staudingerligation”（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。  m# Y$ Q: z5 W
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“Staudingerligation”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。6 W! O% P5 L& |+ s, Z7 J8 L9 x
“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。0 y2 e5 B. G4 u. |- r6 I1 j* o0 d4 P
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。Staudingerligation（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。
; z2 T* B( M' E7 l8 T* E7 }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。
& c: d) T" ^* h% C9 D7 U4 ?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。
/ i6 C( Z& u7 }$ p6 o5 T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。
# T  @. X# n5 j1 q: y$ w2 b“在不久的将来，“Staudingerligation”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。
% L6 T, r  }' j3 v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。
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来源: 科学时报# `( `3 \' x, r) }8 k  d
发布者: 刘斌