糖芯片技术在生物医学的应用范文

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[摘要]化学糖生物学的研究成果在生物医药的研发领域日渐活跃，其中糖芯片技术(或称糖微阵列技术)在过去的15年间引起了科学家们的广泛关注。糖芯片技术通过将糖分子固定于芯片表面，然后利用荧光等信号检测糖分子和蛋白质或其他生物大分子的相互作用情况，从而分析凝集素和抗体的聚糖结合特性、检测细菌等病原体、诊断与鉴定疾病相关抗聚糖抗体等等。本文将从糖芯片的技术优势和其在生物医学领域的应用两个方面做简要介绍。

[关键词]糖芯片；微阵列；糖生物学；生物医学

1引言

生物体内的糖类物质大部分都以细胞膜上或细胞内糖缀合物的形式存在。糖缀合物包括了糖蛋白(O-连接的糖蛋白和N-连接的糖蛋白)、蛋白聚糖、糖胺聚糖以及糖鞘脂。其中，糖缀合物中的聚糖可以通过与聚糖结合蛋白(GBP)的相互作用参与许多复杂的细胞活动，例如，细胞表面的聚糖可以通过与糖基化蛋白结合参与细胞运输，粘附和信号传导[1]。为了探究聚糖是如何参与到生化反应过程中的，研究人员开发出了糖芯片(Carbohydratemicroarrays)技术，这一技术与基因芯片、蛋白质芯片技术等原理类似，主要应用高通量和微量样品的芯片分析方法检测糖体与生物大分子之间相互作用。糖芯片使用了由不同种类的聚糖组成的微阵列，通过固定使得聚糖密集且有序地连接在固体表面上。在此基础上利用荧光等信号检测糖分子和蛋白质或其他生物大分子的相互作用情况。

2糖芯片技术的原理与技术优势

2002年，Wang[2]等首次用微量点样法将48种微生物糖蛋白和多糖抗原点印在包被有硝酸纤维素膜玻片上的糖芯片中，通过这一程序，可以在单个微载玻片上构建大量的微生物抗原，便于病原体的检测。其后，大量的科研工作者对糖芯片技术进行了改进，发展出了物理吸附固定、非共价相互作用固定和共价作用固定三种糖体在固体介质上的固定方法[12]。相比于其他检测方法，糖芯片具有检测样品用量少、特异性高、高敏感性、高通量和长期稳定性等优点，其最大的突出优势就是用于芯片制备的样品和分析样品用量均比较少，这可以充分降低制备样品的难度。另外，糖芯片技术的另一个重要特征是附着在固体表面的聚糖显示为多价，可以通过簇效应与聚糖结合蛋白形成多价复合物，因此，与溶液中的单价聚糖呈现弱相互作用的蛋白质可以强烈地与微阵列上的聚糖结合，这使得糖芯片能够快速地分析由聚糖介导的生物大分子间相互作用。除此之外，由于受到寡糖合成的限制，糖分子库的容量一般不大，因此，只要针对某一研究体系构建大小合适的特定糖类型的糖分子库，并保证足够的结构多样性，就可以用于糖芯片的分析。

3糖芯片技术在生物医学领域的应用

近年来，糖芯片在生命科学与医学研究中的应用越来越广泛，在与糖缀合物相关的免疫学、医学微生物学、植物学的最新研究中潜力巨大。

3.1糖芯片可以快速分析凝集素和抗体的聚糖结合特性研究表明，许多疾病的发生是由于病毒细胞表面的凝集素对宿主细胞表面的糖类特异性识别造成的，阻止此类识别作用的抑制剂具备治疗这些疾病的可能性，糖芯片能以高通量的方式筛选出结合蛋白抑制剂[1]。2012年，Pond等[3]使用表面活性剂囊泡来设计糖芯片，并将其固定在硝酸纤维素玻片上，这一方法可以改变糖芯片表面聚糖分子的密度，为探究未知凝集素的结合特性提供了可能。糖芯片也被广泛运用于分析抗体的结合特异性，2012年，Blixt等[4]发现单克隆抗体对肿瘤相关寡糖如Tn抗原具有一定特异性，IgM型抗体与IgG型抗体在不同的条件下会与Tn抗原发生反应。2017年，Amon等[5]使用具有多种N-羟乙酰神经氨酸(Neu5Gc)聚糖的糖微阵列发现了兔抗人胸腺细胞球蛋白(ATG)能诱导产生抗Neu5Gc的IgG型抗体，证实了人体二次接触这类糖类抗原会出现免疫记忆，提供了研究ATG诱发的抗Neu5Gc抗体二次免疫应答的新方向。

3.2糖芯片可以应用于细菌等病原体的检测和药物研究2011年，Pieters等[6]使用糖芯片发现了细菌在粘附过程中表面携带的粘附素会与组织细胞或细胞外基质的糖缀合物结构结合。这一研究成果表明了细菌粘附抑制剂的设计和合成有可能为细菌感染的预防和治疗创造出新的治疗剂。2016年，王雪玉等[7]使用氨基糖苷类抗生素糖芯片，通过荧光信号强度分析研究了不同的氨基糖苷类抗生素与RNAs和蛋白质之间的相互作用。这一实验证实了可以应用糖芯片技术寻找出具备更好的药理学特性的新型氨基糖苷类抗生素。此外，聚糖微阵列也被广泛应用于分析腺病毒[8]和猿猴病毒40[9]等病毒病原体。

3.3糖芯片可以用于分析植物多糖的成分与功能2017年，Wood等[10]创建了含有植物细胞壁多糖的高密度糖微阵列，通过全基因组分析识别鉴定出了能够反映木聚糖、木葡聚糖、果胶和阿拉伯半乳聚糖多样性的分子标记。这一研究成果提供了关于植物细胞壁形成和重组的基因结构的独特解析。在此基础之上，对植物细胞壁多糖合成的遗传改良可以应用于食品加工、燃料转化等诸多领域。2018年，Louise等[11]使用全面微阵列聚合物分析(CoMPP)检测了芦荟和其它17个和芦荟密切相关的属植物叶肉组织的多糖组成，这一技术将糖微阵列技术的高通量能力与分子探针的特异性相结合，证明了CoMPP可用于分析和筛选芦荟等植物叶肉组织中的糖类聚合物成分。

4总结与展望

作为一种技术优势明显且应用范围广泛的化学糖生物学研究工具，糖芯片在疾病诊断、基因组研究、细菌检测、药物开发和临床疾病诊断等领域里显示出巨大的应用潜力，这将对人类的生活产生广泛、深远的影响。随着化学糖生物学研究的不断深入，糖芯片还会迎来越来越多的发展机遇。但是，伴随着机遇，糖芯片也面临着巨大的挑战，科研工作者正在不断地改进这一技术以及寻找新的应用方向。

4.1发展新的检测方法

目前，常用的检测分析方法有荧光光谱法、表面等离子体共振光谱法、质谱法以及同位素标记检测法等，但是糖芯片的检测效率有限，因此科学家仍需要寻找新的高效的检测与分析方法。

4.2改进表面固定技术

由于糖上的羟基亲和力不是很强，科学家需要发展新的糖体在固体介质上的固定方法，以提高糖芯片的检测效率。

4.3研究肿瘤细胞的糖抗原

Tn糖抗原在部分肿瘤细胞中会表达，如前列腺肿瘤[12]，生物化学家可以以此为方向应用糖芯片探究新的癌症疗法和开发更高效的癌症检测技术。

4.4糖的合成及发现

近年来不断出现新的糖化合物合成法，如：组合合成法、迈克尔加成合成法，通过糖芯片科学家可以进一步探究人工合成糖的药用价值。同时，自然界还有很多结构未知的糖类，科学家也可以通过糖芯片分析和筛选天然糖的聚合物成分。

作者：曹旭 单位：复旦大学