唾液酸化聚糖SGs的異常表達(dá)與各種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移密切相關(guān),并且唾液酸化糖蛋白已經(jīng)廣泛用于癌癥臨床生物標(biāo)記物。然而,SGs的鑒定和綜合分析異常復(fù)雜,迫切需要一種新的、有效的方法從生物樣品中捕捉SGs。

近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所梁鑫淼和卿光焱團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于席夫堿水解的新型動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)策略用于精準(zhǔn)捕捉SGs。與傳統(tǒng)的靜態(tài)親和力和不可逆的化學(xué)鍵結(jié)合策略不同,本研究采用動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)策略,利用吡喃葡萄糖苷-席夫堿修飾的硅膠建立了一種高特異性、高效、溫和、可逆的SG捕獲方法,隨后,研究者詳細(xì)的講述了隱藏在席夫堿水解背后的故事,顯示了動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)在糖蛋白組學(xué)和生物分子傳感中的獨(dú)特優(yōu)勢,促進(jìn)了糖蛋白組學(xué)和唾液酸傳感裝置的發(fā)展,對癌癥生物標(biāo)記物的發(fā)展也具有較為可觀的前景。

唾液檢測癌癥?捕捉癌癥標(biāo)記物新思路

【圖文速遞】

基本原理如下:如圖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膠之間進(jìn)行亞胺化反應(yīng)形成吡喃葡萄糖苷-席夫堿修飾的硅膠材料(Glu-Schiff base@SiO2)。在生物樣品SGs作用下,席夫堿水解形成SG-前體胺絡(luò)合物和試劑Glu,Glu的有序自組裝能進(jìn)一步促進(jìn)水解反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對生物樣品的高效富集。在氨水的作用下,又可以進(jìn)行逆反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)樣品的無損回收。

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圖1 唾液酸化聚糖(SGs)的重要性和精準(zhǔn)捕捉SGs的材料設(shè)計(jì)。a)哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜表面覆蓋濃稠的一層多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物,特別是富含唾液酸的聚糖在癌細(xì)胞表面高度表達(dá)。這些聚糖與血小板和內(nèi)皮細(xì)胞表面的選擇素結(jié)合使得癌細(xì)胞得以擴(kuò)散或轉(zhuǎn)移。b)基于席夫堿水解反應(yīng)的唾液酸或SGs高效捕獲策略的示意圖。N-乙酰-神經(jīng)氨酸(Neu5Ac)是一種典型的唾液酸,其結(jié)構(gòu)用紅色的◆表示。

與傳統(tǒng)的以乙腈和水的混合溶液為洗脫液的糖肽洗脫方法完全不同,該方法中以Glu-Schiff?base@SiO2為柱料制備微固相萃取柱(SPE),以含1%甲酸(FA)的85%乙腈(ACN)/H2O為肽載液,含1%FA的80%ACN/H2O為洗滌液,氨水(10%NH3·H2O)為洗脫液。研究結(jié)果表明,Glu-Schiff-base@SiO2材料對模型蛋白樣品和人血清均表現(xiàn)出優(yōu)異的唾液酸化糖肽(SGP)富集選擇性。并且SGP具有較高的吸附容量和回收率,吸附容量值為120mg·g-1,明顯高于商業(yè)中的ZIC-HILIC (10 mg·g-1)?和 Sepharose (10 mg·g-1),Glu-Schiff base@SiO2回收率高達(dá)95.5%。這種特性特別適合SGPs的捕捉和分析,因此這將有助于其在唾液酸傳感、細(xì)胞表面唾液酸分析、腫瘤細(xì)胞分類和各種癌癥的早期診斷等方面的應(yīng)用。

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圖2Glu-Schiff堿@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)從胎球蛋白:BSA摩爾比為(1:5000)的胰蛋白酶消化中獲得的富含Glu-Schiff base@SiO2的糖肽的質(zhì)譜圖(MS)。糖肽在其聚糖結(jié)構(gòu)上以紅星標(biāo)記:藍(lán)色■,GlcNAc;綠色,甘露糖;黃色,半乳糖;紫色,Neu5Ac。(c)用Glu-Schiffbase@SiO2從人血清中富集糖肽。用MS對糖苷數(shù)目和相應(yīng)的富集選擇性進(jìn)行了鑒定(d)從三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中鑒定的糖肽的Venn圖。(e)ZIC-HILIC、Sepharose、NH2@SiO2、phenyl-Schiff base@SiO2和Glu-Schiff base@SiO2與標(biāo)準(zhǔn)SGP(CAS:189035-43-6)的吸附能力比較。(f)基于Glu-Schiff base@SiO2材料的富集法對兩中SGPs的回收率[m/z:983.7892(3+)、1475.0836(2+)]。
為什么Glu-Schiff?base@SiO2材料會(huì)對SGs有如此優(yōu)異的富集效果呢?為了回答這一問題,研究人員引入了兩個(gè)分子模型,Neu5Ac(SGPs的最外層分子)和4-(苯乙亞胺)甲基]苯基-D-吡喃糖苷(Schiff base A)(Glu-Schiff base@SiO2材料的核心組分)。Schiff base A緩慢水解會(huì)產(chǎn)生PEA和4-甲酰苯基β-Dglucopyranoside(B),Neu5Ac加入后會(huì)加速Schiff base A水解,并且Neu5Ac和水解產(chǎn)物之間有較強(qiáng)的相互作用力形成高度穩(wěn)定的PEA-Neu5Ac絡(luò)合物。更有趣的是,研究人員發(fā)現(xiàn)B在水中具有很強(qiáng)的自組裝能力,這將促進(jìn)水解反應(yīng)并促進(jìn)水解物PEA與Neu5Ac的絡(luò)合反應(yīng),所以Glu-Schiff base@SiO2材料對SGs表現(xiàn)出超強(qiáng)的親和力。

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Figure 3 席夫堿水解產(chǎn)生穩(wěn)定的SG-前體胺絡(luò)合物。(a)Schiff base A水解反應(yīng)的示意圖及本研究的核心問題:Schiff base A在水溶液中遇到Neu5Ac時(shí)發(fā)生了什么?(b)基于自制半制備液相色譜柱(click TE-Cys)的席夫堿水解反應(yīng)產(chǎn)物的高效液相色譜圖。(c)PEA-Neu5Ac絡(luò)合物的MS和MS/MS(c的插圖)。(d)PEA,(e)Neu5Ac和(f)PEA-Neu5Ac絡(luò)合物的13C核磁共振譜。(g)PEA-Neu5Ac絡(luò)合物的1H-13C COSY核磁共振譜(溶劑:重水,溫度:20°C)。(h)PEA和Neu5Ac之間可能的結(jié)合模式的化學(xué)結(jié)構(gòu),核磁共振譜中顯示了每個(gè)C原子和h質(zhì)子的分配。(i)通過量子化學(xué)計(jì)算(6-311g水平下的高斯密度泛函理論(DFT))獲得的PEA-Neu5Ac絡(luò)合物的可能結(jié)合模型,其中水被設(shè)置為溶劑。靜電力和氫鍵相互作用分別用不同長度的橙色和綠色虛線表示。

 

【總結(jié)】

在本文中,研究人員從材料科學(xué)的角度出發(fā),打破了傳統(tǒng)以材料化學(xué)穩(wěn)定性為前提的富集材料設(shè)計(jì)思路,采用Glu-Schiff?base@SiO2材料作為“自我犧牲”試劑發(fā)揮作用,揭示了席夫堿水解反應(yīng)的必要性,說明了動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)策略在捕獲目標(biāo)生物分子方面的巨大潛力。相關(guān)研究內(nèi)容以“What Is Hidden Behind Schiff Base Hydrolysis? Dynamic Covalent Chemistry for the Precise Capture of Sialylated Glycans”為題發(fā)表在JACS

全文鏈接:

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

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