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唾液检测癌症?捕捉癌症标记物新思路-岩拓气凝胶

唾液检测癌症?捕捉癌症标记物新思路

唾液酸化聚糖SGs的异常表达与各种肿瘤的发生、发展和转移密切相关,并且唾液酸化糖蛋白已经广泛用于癌症临床生物标记物。然而,SGs的鉴定和综合分析异常复杂,迫切需要一种新的、有效的方法从生物样品中捕捉SGs。

近日,中国科学院大连化学物理研究所梁鑫淼和卿光焱团队报道了一种基于席夫碱水解的新型动态共价化学策略用于精准捕捉SGs。与传统的静态亲和力和不可逆的化学键结合策略不同,本研究采用动态共价化学策略,利用吡喃葡萄糖苷-席夫碱修饰的硅胶建立了一种高特异性、高效、温和、可逆的SG捕获方法,随后,研究者详细的讲述了隐藏在席夫碱水解背后的故事,显示了动态共价化学在糖蛋白组学和生物分子传感中的独特优势,促进了糖蛋白组学和唾液酸传感装置的发展,对癌症生物标记物的发展也具有较为可观的前景。

唾液检测癌症?捕捉癌症标记物新思路

【图文速递】

基本原理如下:如图1b所示,4-甲酰苯基-D-吡喃葡糖和(3-氨基丙基)-三甲氧基硅烷改性的硅胶之间进行亚胺化反应形成吡喃葡萄糖苷-席夫碱修饰的硅胶材料(Glu-Schiff base@SiO2)。在生物样品SGs作用下,席夫碱水解形成SG-前体胺络合物和试剂Glu,Glu的有序自组装能进一步促进水解反应,从而实现对生物样品的高效富集。在氨水的作用下,又可以进行逆反应,从而实现样品的无损回收。

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图1 唾液酸化聚糖(SGs)的重要性和精准捕捉SGs的材料设计。a)哺乳动物细胞膜表面覆盖浓稠的一层多糖-蛋白质复合物,特别是富含唾液酸的聚糖在癌细胞表面高度表达。这些聚糖与血小板和内皮细胞表面的选择素结合使得癌细胞得以扩散或转移。b)基于席夫碱水解反应的唾液酸或SGs高效捕获策略的示意图。N-乙酰-神经氨酸(Neu5Ac)是一种典型的唾液酸,其结构用红色的◆表示。

与传统的以乙腈和水的混合溶液为洗脱液的糖肽洗脱方法完全不同,该方法中以Glu-Schiff base@SiO2为柱料制备微固相萃取柱(SPE),以含1%甲酸(FA)的85%乙腈(ACN)/H2O为肽载液,含1%FA的80%ACN/H2O为洗涤液,氨水(10%NH3·H2O)为洗脱液。研究结果表明,Glu-Schiff-base@SiO2材料对模型蛋白样品和人血清均表现出优异的唾液酸化糖肽(SGP)富集选择性。并且SGP具有较高的吸附容量和回收率,吸附容量值为120mg·g-1,明显高于商业中的ZIC-HILIC (10 mg·g-1) 和 Sepharose (10 mg·g-1),Glu-Schiff base@SiO2回收率高达95.5%。这种特性特别适合SGPs的捕捉和分析,因此这将有助于其在唾液酸传感、细胞表面唾液酸分析、肿瘤细胞分类和各种癌症的早期诊断等方面的应用。

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图2Glu-Schiff碱@SiO2材料富集唾液酸化糖肽(SGP)。(a)基于微固相萃取的富集方法(b)从胎球蛋白:BSA摩尔比为(1:5000)的胰蛋白酶消化中获得的富含Glu-Schiff base@SiO2的糖肽的质谱图(MS)。糖肽在其聚糖结构上以红星标记:蓝色■,GlcNAc;绿色,甘露糖;黄色,半乳糖;紫色,Neu5Ac。(c)用Glu-Schiffbase@SiO2从人血清中富集糖肽。用MS对糖苷数目和相应的富集选择性进行了鉴定(d)从三次重复实验中鉴定的糖肽的Venn图。(e)ZIC-HILIC、Sepharose、NH2@SiO2、phenyl-Schiff base@SiO2和Glu-Schiff base@SiO2与标准SGP(CAS:189035-43-6)的吸附能力比较。(f)基于Glu-Schiff base@SiO2材料的富集法对两中SGPs的回收率[m/z:983.7892(3+)、1475.0836(2+)]。
为什么Glu-Schiff base@SiO2材料会对SGs有如此优异的富集效果呢?为了回答这一问题,研究人员引入了两个分子模型,Neu5Ac(SGPs的最外层分子)和4-(苯乙亚胺)甲基]苯基-D-吡喃糖苷(Schiff base A)(Glu-Schiff base@SiO2材料的核心组分)。Schiff base A缓慢水解会产生PEA和4-甲酰苯基β-Dglucopyranoside(B),Neu5Ac加入后会加速Schiff base A水解,并且Neu5Ac和水解产物之间有较强的相互作用力形成高度稳定的PEA-Neu5Ac络合物。更有趣的是,研究人员发现B在水中具有很强的自组装能力,这将促进水解反应并促进水解物PEA与Neu5Ac的络合反应,所以Glu-Schiff base@SiO2材料对SGs表现出超强的亲和力。

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Figure 3 席夫碱水解产生稳定的SG-前体胺络合物。(a)Schiff base A水解反应的示意图及本研究的核心问题:Schiff base A在水溶液中遇到Neu5Ac时发生了什么?(b)基于自制半制备液相色谱柱(click TE-Cys)的席夫碱水解反应产物的高效液相色谱图。(c)PEA-Neu5Ac络合物的MS和MS/MS(c的插图)。(d)PEA,(e)Neu5Ac和(f)PEA-Neu5Ac络合物的13C核磁共振谱。(g)PEA-Neu5Ac络合物的1H-13C COSY核磁共振谱(溶剂:重水,温度:20°C)。(h)PEA和Neu5Ac之间可能的结合模式的化学结构,核磁共振谱中显示了每个C原子和h质子的分配。(i)通过量子化学计算(6-311g水平下的高斯密度泛函理论(DFT))获得的PEA-Neu5Ac络合物的可能结合模型,其中水被设置为溶剂。静电力和氢键相互作用分别用不同长度的橙色和绿色虚线表示。

 

【总结】

在本文中,研究人员从材料科学的角度出发,打破了传统以材料化学稳定性为前提的富集材料设计思路,采用Glu-Schiff base@SiO2材料作为“自我牺牲”试剂发挥作用,揭示了席夫碱水解反应的必要性,说明了动态共价化学策略在捕获目标生物分子方面的巨大潜力。相关研究内容以“What Is Hidden Behind Schiff Base Hydrolysis? Dynamic Covalent Chemistry for the Precise Capture of Sialylated Glycans”为题发表在JACS

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01970

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