糖芯片技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用范文

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[摘要]化學(xué)糖生物學(xué)的研究成果在生物醫(yī)藥的研發(fā)領(lǐng)域日漸活躍，其中糖芯片技術(shù)(或稱糖微陣列技術(shù))在過去的15年間引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。糖芯片技術(shù)通過將糖分子固定于芯片表面，然后利用熒光等信號檢測糖分子和蛋白質(zhì)或其他生物大分子的相互作用情況，從而分析凝集素和抗體的聚糖結(jié)合特性、檢測細(xì)菌等病原體、診斷與鑒定疾病相關(guān)抗聚糖抗體等等。本文將從糖芯片的技術(shù)優(yōu)勢和其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用兩個方面做簡要介紹。

[關(guān)鍵詞]糖芯片；微陣列；糖生物學(xué)；生物醫(yī)學(xué)

1引言

生物體內(nèi)的糖類物質(zhì)大部分都以細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)糖綴合物的形式存在。糖綴合物包括了糖蛋白(O-連接的糖蛋白和N-連接的糖蛋白)、蛋白聚糖、糖胺聚糖以及糖鞘脂。其中，糖綴合物中的聚糖可以通過與聚糖結(jié)合蛋白(GBP)的相互作用參與許多復(fù)雜的細(xì)胞活動，例如，細(xì)胞表面的聚糖可以通過與糖基化蛋白結(jié)合參與細(xì)胞運(yùn)輸，粘附和信號傳導(dǎo)[1]。為了探究聚糖是如何參與到生化反應(yīng)過程中的，研究人員開發(fā)出了糖芯片(Carbohydratemicroarrays)技術(shù)，這一技術(shù)與基因芯片、蛋白質(zhì)芯片技術(shù)等原理類似，主要應(yīng)用高通量和微量樣品的芯片分析方法檢測糖體與生物大分子之間相互作用。糖芯片使用了由不同種類的聚糖組成的微陣列，通過固定使得聚糖密集且有序地連接在固體表面上。在此基礎(chǔ)上利用熒光等信號檢測糖分子和蛋白質(zhì)或其他生物大分子的相互作用情況。

2糖芯片技術(shù)的原理與技術(shù)優(yōu)勢

2002年，Wang[2]等首次用微量點(diǎn)樣法將48種微生物糖蛋白和多糖抗原點(diǎn)印在包被有硝酸纖維素膜玻片上的糖芯片中，通過這一程序，可以在單個微載玻片上構(gòu)建大量的微生物抗原，便于病原體的檢測。其后，大量的科研工作者對糖芯片技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展出了物理吸附固定、非共價(jià)相互作用固定和共價(jià)作用固定三種糖體在固體介質(zhì)上的固定方法[12]。相比于其他檢測方法，糖芯片具有檢測樣品用量少、特異性高、高敏感性、高通量和長期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，其最大的突出優(yōu)勢就是用于芯片制備的樣品和分析樣品用量均比較少，這可以充分降低制備樣品的難度。另外，糖芯片技術(shù)的另一個重要特征是附著在固體表面的聚糖顯示為多價(jià)，可以通過簇效應(yīng)與聚糖結(jié)合蛋白形成多價(jià)復(fù)合物，因此，與溶液中的單價(jià)聚糖呈現(xiàn)弱相互作用的蛋白質(zhì)可以強(qiáng)烈地與微陣列上的聚糖結(jié)合，這使得糖芯片能夠快速地分析由聚糖介導(dǎo)的生物大分子間相互作用。除此之外，由于受到寡糖合成的限制，糖分子庫的容量一般不大，因此，只要針對某一研究體系構(gòu)建大小合適的特定糖類型的糖分子庫，并保證足夠的結(jié)構(gòu)多樣性，就可以用于糖芯片的分析。

3糖芯片技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，糖芯片在生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用越來越廣泛，在與糖綴合物相關(guān)的免疫學(xué)、醫(yī)學(xué)微生物學(xué)、植物學(xué)的最新研究中潛力巨大。

3.1糖芯片可以快速分析凝集素和抗體的聚糖結(jié)合特性研究表明，許多疾病的發(fā)生是由于病毒細(xì)胞表面的凝集素對宿主細(xì)胞表面的糖類特異性識別造成的，阻止此類識別作用的抑制劑具備治療這些疾病的可能性，糖芯片能以高通量的方式篩選出結(jié)合蛋白抑制劑[1]。2012年，Pond等[3]使用表面活性劑囊泡來設(shè)計(jì)糖芯片，并將其固定在硝酸纖維素玻片上，這一方法可以改變糖芯片表面聚糖分子的密度，為探究未知凝集素的結(jié)合特性提供了可能。糖芯片也被廣泛運(yùn)用于分析抗體的結(jié)合特異性，2012年，Blixt等[4]發(fā)現(xiàn)單克隆抗體對腫瘤相關(guān)寡糖如Tn抗原具有一定特異性，IgM型抗體與IgG型抗體在不同的條件下會與Tn抗原發(fā)生反應(yīng)。2017年，Amon等[5]使用具有多種N-羥乙酰神經(jīng)氨酸(Neu5Gc)聚糖的糖微陣列發(fā)現(xiàn)了兔抗人胸腺細(xì)胞球蛋白(ATG)能誘導(dǎo)產(chǎn)生抗Neu5Gc的IgG型抗體，證實(shí)了人體二次接觸這類糖類抗原會出現(xiàn)免疫記憶，提供了研究ATG誘發(fā)的抗Neu5Gc抗體二次免疫應(yīng)答的新方向。

3.2糖芯片可以應(yīng)用于細(xì)菌等病原體的檢測和藥物研究2011年，Pieters等[6]使用糖芯片發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌在粘附過程中表面攜帶的粘附素會與組織細(xì)胞或細(xì)胞外基質(zhì)的糖綴合物結(jié)構(gòu)結(jié)合。這一研究成果表明了細(xì)菌粘附抑制劑的設(shè)計(jì)和合成有可能為細(xì)菌感染的預(yù)防和治療創(chuàng)造出新的治療劑。2016年，王雪玉等[7]使用氨基糖苷類抗生素糖芯片，通過熒光信號強(qiáng)度分析研究了不同的氨基糖苷類抗生素與RNAs和蛋白質(zhì)之間的相互作用。這一實(shí)驗(yàn)證實(shí)了可以應(yīng)用糖芯片技術(shù)尋找出具備更好的藥理學(xué)特性的新型氨基糖苷類抗生素。此外，聚糖微陣列也被廣泛應(yīng)用于分析腺病毒[8]和猿猴病毒40[9]等病毒病原體。

3.3糖芯片可以用于分析植物多糖的成分與功能2017年，Wood等[10]創(chuàng)建了含有植物細(xì)胞壁多糖的高密度糖微陣列，通過全基因組分析識別鑒定出了能夠反映木聚糖、木葡聚糖、果膠和阿拉伯半乳聚糖多樣性的分子標(biāo)記。這一研究成果提供了關(guān)于植物細(xì)胞壁形成和重組的基因結(jié)構(gòu)的獨(dú)特解析。在此基礎(chǔ)之上，對植物細(xì)胞壁多糖合成的遺傳改良可以應(yīng)用于食品加工、燃料轉(zhuǎn)化等諸多領(lǐng)域。2018年，Louise等[11]使用全面微陣列聚合物分析(CoMPP)檢測了蘆薈和其它17個和蘆薈密切相關(guān)的屬植物葉肉組織的多糖組成，這一技術(shù)將糖微陣列技術(shù)的高通量能力與分子探針的特異性相結(jié)合，證明了CoMPP可用于分析和篩選蘆薈等植物葉肉組織中的糖類聚合物成分。

4總結(jié)與展望

作為一種技術(shù)優(yōu)勢明顯且應(yīng)用范圍廣泛的化學(xué)糖生物學(xué)研究工具，糖芯片在疾病診斷、基因組研究、細(xì)菌檢測、藥物開發(fā)和臨床疾病診斷等領(lǐng)域里顯示出巨大的應(yīng)用潛力，這將對人類的生活產(chǎn)生廣泛、深遠(yuǎn)的影響。隨著化學(xué)糖生物學(xué)研究的不斷深入，糖芯片還會迎來越來越多的發(fā)展機(jī)遇。但是，伴隨著機(jī)遇，糖芯片也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，科研工作者正在不斷地改進(jìn)這一技術(shù)以及尋找新的應(yīng)用方向。

4.1發(fā)展新的檢測方法

目前，常用的檢測分析方法有熒光光譜法、表面等離子體共振光譜法、質(zhì)譜法以及同位素標(biāo)記檢測法等，但是糖芯片的檢測效率有限，因此科學(xué)家仍需要尋找新的高效的檢測與分析方法。

4.2改進(jìn)表面固定技術(shù)

由于糖上的羥基親和力不是很強(qiáng)，科學(xué)家需要發(fā)展新的糖體在固體介質(zhì)上的固定方法，以提高糖芯片的檢測效率。

4.3研究腫瘤細(xì)胞的糖抗原

Tn糖抗原在部分腫瘤細(xì)胞中會表達(dá)，如前列腺腫瘤[12]，生物化學(xué)家可以以此為方向應(yīng)用糖芯片探究新的癌癥療法和開發(fā)更高效的癌癥檢測技術(shù)。

4.4糖的合成及發(fā)現(xiàn)

近年來不斷出現(xiàn)新的糖化合物合成法，如：組合合成法、邁克爾加成合成法，通過糖芯片科學(xué)家可以進(jìn)一步探究人工合成糖的藥用價(jià)值。同時(shí)，自然界還有很多結(jié)構(gòu)未知的糖類，科學(xué)家也可以通過糖芯片分析和篩選天然糖的聚合物成分。

作者：曹旭 單位：復(fù)旦大學(xué)