唾液檢測癌癥?捕捉癌癥標記物新思路

唾液酸化聚糖SGs的異常表達與各種腫瘤的發生、發展和轉移密切相關,並且唾液酸化糖蛋白已經廣泛用於癌癥臨床生物標記物。然而,SGs的鑒定和綜合分析異常復雜,迫切需要一種新的、有效的方法從生物樣品中捕捉SGs。

近日,中國科學院大連化學物理研究所梁鑫淼卿光焱團隊報道瞭一種基於席夫堿水解的新型動態共價化學策略用於精準捕捉SGs。與傳統的靜態親和力和不可逆的化學鍵結合策略不同,本研究采用動態共價化學策略,利用吡喃葡萄糖苷-席夫堿修飾的矽膠建立瞭一種高特異性、高效、溫和、可逆的SG捕獲方法,隨後,研究者詳細的講述瞭隱藏在席夫堿水解背後的故事,顯示瞭動態共價化學在糖蛋白組學和生物分子傳感中的獨特優勢,促進瞭糖蛋白組學和唾液酸傳感裝置的發展,對癌癥生物標記物的發展也具有較為可觀的前景。

唾液檢測癌癥?捕捉癌癥標記物新思路

【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)-三甲氧基矽烷改性的矽膠之間進行亞胺化反應形成吡喃葡萄糖苷-席夫堿修飾的矽膠材料(Glu-Schiff base@SiO2)。在生物樣品SGs作用下,席夫堿水解形成SG-前體胺絡合物和試劑Glu,Glu的有序自組裝能進一步促進水解反應,從而實現對生物樣品的高效富集。在氨水的作用下,又可以進行逆反應,從而實現樣品的無損回收。

唾液檢測癌癥?捕捉癌癥標記物新思路
圖1 唾液酸化聚糖(SGs)的重要性和精準捕捉SGs的材料設計。a)哺乳動物細胞膜表面覆蓋濃稠的一層多糖-蛋白質復合物,特別是富含唾液酸的聚糖在癌細胞表面高度表達。這些聚糖與血小板和內皮細胞表面的選擇素結合使得癌細胞得以擴散或轉移。b)基於席夫堿水解反應的唾液酸或SGs高效捕獲策略的示意圖。N-乙酰-神經氨酸(Neu5Ac)是一種典型的唾液酸,其結構用紅色的◆表示。

與傳統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。研究結果表明,Glu-Schiff-base@SiO2材料對模型蛋白樣品和人血清均表現出優異的唾液酸化糖肽(SGP)富集選擇性。並且SGP具有較高的吸附容量和回收率,吸附容量值為120mg·g-1,明顯高於商業中的ZIC-HILIC (10 mg·g-1) 和 Sepharose (10 mg·g-1),Glu-Schiff base@SiO2回收率高達95.5%。這種特性特別適合SGPs的捕捉和分析,因此這將有助於其在唾液酸傳感、細胞表面唾液酸分析、腫瘤細胞分類和各種癌癥的早期診斷等方面的應用。

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圖2Glu-Schiff堿@SiO2材料富集唾液酸化糖肽(SGP)。(a)基於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的糖肽的質譜圖(MS)。糖肽在其聚糖結構上以紅星標記:藍色■,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對糖苷數目和相應的富集選擇性進行瞭鑒定(d)從三次重復實驗中鑒定的糖肽的Venn圖。(e)ZIC-HILIC、Sepharose、NH2@SiO2、phenyl-Schiff base@SiO2和Glu-Schiff base@SiO2與標準SGP(CAS:189035-43-6)的吸附能力比較。(f)基於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+)]。

為什麼Glu-Schiff base@SiO2材料會對SGs有如此優異的富集效果呢?為瞭回答這一問題,研究人員引入瞭兩個分子模型,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緩慢水解會產生PEA和4-甲酰苯基β-Dglucopyranoside(B),Neu5Ac加入後會加速Schiff base A水解,並且Neu5Ac和水解產物之間有較強的相互作用力形成高度穩定的PEA-Neu5Ac絡合物。更有趣的是,研究人員發現B在水中具有很強的自組裝能力,這將促進水解反應並促進水解物PEA與Neu5Ac的絡合反應,所以Glu-Schiff base@SiO2材料對SGs表現出超強的親和力。

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Figure 3 席夫堿水解產生穩定的SG-前體胺絡合物。(a)Schiff base A水解反應的示意圖及本研究的核心問題:Schiff base A在水溶液中遇到Neu5Ac時發生瞭什麼?(b)基於自制半制備液相色譜柱(click TE-Cys)的席夫堿水解反應產物的高效液相色譜圖。(c)PEA-Neu5Ac絡合物的MS和MS/MS(c的插圖)。(d)PEA,(e)Neu5Ac和(f)PEA-Neu5Ac絡合物的13C核磁共振譜。(g)PEA-Neu5Ac絡合物的1H-13C COSY核磁共振譜(溶劑:重水,溫度:20°C)。(h)PEA和Neu5Ac之間可能的結合模式的化學結構,核磁共振譜中顯示瞭每個C原子和h質子的分配。(i)通過量子化學計算(6-311g水平下的高斯密度泛函理論(DFT))獲得的PEA-Neu5Ac絡合物的可能結合模型,其中水被設置為溶劑。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】

在本文中,研究人員從材料科學的角度出發,打破瞭傳統以材料化學穩定性為前提的富集材料設計思路,采用Glu-Schiff base@SiO2材料作為“自我犧牲”試劑發揮作用,揭示瞭席夫堿水解反應的必要性,說明瞭動態共價化學策略在捕獲目標生物分子方面的巨大潛力。相關研究內容以“What Is Hidden Behind Schiff Base Hydrolysis? Dynamic Covalent Chemistry for the Precise Capture of Sialylated Glycans”為題發表在JACS

全文鏈接:

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

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