糖芯片制備的關(guān)鍵技術(shù)：基于氨基改性表面的糖分子固定方法及其表面表征

程 昉，王漢奇，孫世猷，何 煒

（1.大連理工大學(xué)精細化工國家重點實驗室，遼寧大連116024）

（2.大連理工大學(xué)制藥科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116024）

（3.武漢科技大學(xué)城市學(xué)院醫(yī)學(xué)部制藥系，湖北武漢430070）

0 引言

隨著糖生物學(xué)研究的不斷深入，糖芯片（糖微陣列）成為一類高通量研究糖生物學(xué)的工具和手段，已被廣泛應(yīng)用于研究糖參與生命活動，挖掘定量信息和規(guī)律，闡明和揭示糖在發(fā)育、分化、再生和癌變過程的作用，研制腫瘤靶向治療和病原體阻斷的新藥物[1-5]。糖芯片制備的關(guān)鍵技術(shù)在于如何將寡糖、多糖或者單糖分子固定在芯片基質(zhì)表面。由于糖化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能的多樣性，糖芯片通常需要使用天然來源的寡糖或者多糖分子。由于來源的稀有加之分離、純化的繁瑣，通常僅能毫克級制備各種糖分子。對于這類珍貴樣品，需要合理設(shè)計和發(fā)展表面固定策略以及必要的糖衍生化。

近年來，國內(nèi)外有多篇綜述性論文系統(tǒng)地介紹通過共價鍵或者物理吸附方式將糖分子固定在芯片基質(zhì)表面[6-9]。一般而言，針對芯片基質(zhì)選取合理的修飾方法，溶液相的糖分子或者衍生物通過一步反應(yīng)或者吸附，即可實現(xiàn)糖分子在芯片基質(zhì)表面的固定[10-12]。當(dāng)芯片基質(zhì)表面修飾了疊氮、巰基、共軛雙烯或者琥珀酰亞胺酯，相應(yīng)的糖分子需要化學(xué)衍生化，引入炔烴、馬來酰亞胺、烯烴或者氨基基團。當(dāng)芯片基質(zhì)表面修飾了硼酸或者乙烯基砜基團，未經(jīng)修飾的天然糖分子可以與表面直接發(fā)生鍵合。

糖芯片實驗室規(guī)模制備時期出現(xiàn)了多種芯片基質(zhì)，例如硝酸纖維素膜和含氟高分子材料。隨著商業(yè)芯片的規(guī)?；苽?、高通量打印和高靈敏檢測技術(shù)的出現(xiàn)，硅基質(zhì)芯片成為了主流。3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）是一種典型的硅烷偶聯(lián)劑，廣泛用于硅基質(zhì)表面的氨基改性[13-15]。通過APTES與基質(zhì)表面硅羥基之間反應(yīng)，在基質(zhì)表面展示氨基。這一方法可以改變表面的親/憎水程度，提高正電荷密度，也為后續(xù)的表面反應(yīng)提供了高密度的反應(yīng)活性位點。基于氨基改性表面發(fā)展了一系列的固定方法，已經(jīng)用于蛋白質(zhì)、核酸和小分子等多種生物芯片的制造[16-20]。然而，直接利用氨基改性表面實現(xiàn)糖分子固定的方法鮮有報道。

該文直接利用氨基改性表面，設(shè)計新穎的糖分子固定路線并豐富含糖樣品的表面分析手段。以乳糖為例，發(fā)展了采用二乙烯基砜為偶聯(lián)試劑共價鍵固定糖分子的方法。采用天然糖以及糖衍生化物，提出了三種在氨基改性表面固定乳糖的方法，構(gòu)筑了基于氨基改性表面的樣品。利用酶聯(lián)凝集素分析技術(shù) （enzyme-linked lectin assay,ELLA）初步評價了上述樣品；采用生物膜干涉實驗定量研究了固定的乳糖與血凝素蛋白質(zhì)之間的結(jié)合/解離動力學(xué)和熱力學(xué)；通過X-射線光電子能譜（XPS）表征了氨基改性前后和乳糖固定前后樣品表面上元素的變化以及碳化學(xué)物種的變化。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

乳糖 （98%,）和3-氨基丙基三乙氧基硅烷（98%）購于阿拉丁試劑有限公司；氨水（25%）購于天津市富宇精細化工有限公司；二乙烯基砜（98%）購于山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司；Quanta BluTM Flurogenic Peroxidase試劑盒購于Pierce （美國）；4-羥乙基哌嗪乙磺酸（HEPES，98%）和牛血清蛋白（BSA，98%）購于大連美侖生物有限公司；花生凝集素（Peanutagglutinin，PNA，SDS-PAGE 級）購于 Vector Laboratories（美國）；牛血清蛋白辣根過氧化酶復(fù)合物 （BSA-HRP，＞95%）和花生凝集素辣根過氧化物酶復(fù)合物（PNA-HRP,＞95%）購于北京博勝經(jīng)緯科技有限公司；玻璃圓形蓋玻片 （FIS12-545-80 12CIR，φ12mm）購于 Fisher Scientific（美國）；氨基修飾生物膜干涉探頭（APSdips）購于 ForteBio（美國）。

Bruker Avance II 400M核磁共振波譜儀（Bruker公司， 德國）；ESCALAB 250Xi型 X 射線光電子能譜儀 （Thermo Fisher Scientific公司，美國），X 射線源采用 Al Kα (hv=1486.6 eV)，光電子出射角為90°，采用污染碳C 1s(BE=285.0 eV)作為能量校正；生物膜干涉BLItz型傳感器（ForteBio 公司，美國）。

1.2 脫氧氨基乳糖乙烯基砜衍生物 （化合物1）的制備

稱取3.42 g乳糖（10mmol）和0.96 g碳酸銨（10mmol）溶于70mL甲醇中，加熱至回流，緩慢滴加氨水至溶液澄清，回流反應(yīng)12 h。反應(yīng)體系4℃冷卻結(jié)晶，抽濾，冰甲醇洗滌三次制備脫氧氨基乳糖（化合物2）[21-23]。將獲得的脫氧氨基乳糖溶于50mLHEPES緩沖液 （pH=9.5），加入10 mL 二乙烯基砜（DVS，100mmol），并加入 10mL丙酮助溶，反應(yīng)體系25℃攪拌12 h，柱色譜純化獲得脫氧氨基乳糖乙烯基砜衍生物 （化合物1）2.85 g （收率 62.0%）。1H NMR(500MHz D2O)：δ 6.87(dd,1H,CH=CH2),6.42&6.21(dd,2H,CH=CH2)，5.16(d,2H,-CHOHCHO-),3.08(t,2H,-SO2CH2CH2NH），3.51-3.70(m,others)。

1.3 氨基六聚乙二醇的制備

稱取2.82 g六聚乙二醇 （10mmol）溶于40 mL二氯甲烷制備六聚乙二醇溶液，稱取1.14 g對甲基苯磺酰氯（6mmol）溶于20mL二氯甲烷并在冰浴條件下緩慢滴加至六聚乙二醇溶液中，室溫反應(yīng)12 h后柱色譜純化制備六聚乙二醇單對甲基苯磺酸酯。得到的產(chǎn)物溶于50mL乙醇并加入6.50 g疊氮化鈉（100mmol）回流4 h。反應(yīng)液冷卻至室溫，抽濾除去過量疊氮化鈉，旋蒸除去溶劑后溶于50mL四氫呋喃（含25%水），加入2.62 g三苯基膦（10mmol）回流過夜，產(chǎn)物經(jīng)柱色譜純化獲得氨基六聚乙二醇1.21 g（收率43.1%）。1H NMR(500 MHz CDCl3)：δ 3.72(t,2H,NH2CH2CH2O),3.60(t,2H,HOCH2CH2O)，3.55(t,2H,HOCH2CH2O),2.89(t,2H,NH2CH2CH2O），3.67(m,16H,others)。

1.4 樣品的氨基改性和DVS處理

1.4.1 樣品的氨基改性

（1）將圓形蓋玻片分別用水和乙醇超聲清洗3次，然后置于食人魚洗液中90℃反應(yīng)40min（食人魚洗液的制備：冰浴條件下將10mL過氧化氫緩慢滴加至30mL濃硫酸中。注意：食人魚洗液對有機物有強烈腐蝕性。），分別用水和乙醇超聲清洗3次；

（2）將食人魚洗液處理的樣品置于APTES的乙醇溶液(2%，V/V，含有數(shù)滴乙酸)，室溫反應(yīng)24 h，乙醇超聲清洗3次；

（3）上述處理的樣品置于120℃真空干燥箱中交聯(lián)4 h，氮氣氛圍下避光保存。

1.4.2 樣品的DVS處理

將氨基改性的樣品置于DVS溶液 （10%，V/V,pH=12），室溫反應(yīng)2 h后取出，分別用丙酮和水清洗3次，氮氣吹干并避光保存。

1.5 樣品的三種乳糖固定方法

1.5.1 乳糖固定方法1（method 1）

（1）將化合物1溶于新鮮的HEPES緩沖溶液（10mmol/L，pH=9.5），充分溶解后備用。

（2）將氨基改性的樣品置于24孔板中，每孔加入2 mL上述化合物1溶液，室溫下震蕩（1000～1200 r/min）反應(yīng)12 h后分別用水和乙醇清洗三次，氮氣吹干并避光保存。

1.5.2 乳糖固定方法2（method 2）

（1）化合物2溶于50mLHEPES緩沖溶液（10mmol/L，pH=9.5），充分溶解后備用。

1.5.3 乳糖固定方法3（method 3）

將DVS處理的樣品浸泡在乳糖溶液（0.1 g/mL，pH=10），室溫反應(yīng) 12 h 后取出，用超純水清洗、氮氣吹干后浸入新鮮的氨基聚乙二醇溶液室溫反應(yīng)12 h后取出，用超純水清洗3次，氮氣吹干并避光保存。按照圖1所示，在BLI傳感器的氨基探頭制備抗垢涂層，將含有抗垢涂層的探頭置于NHS/EDC（0.5mol/L,0.55mol/L）溶液中4℃活化30min，然后置于0.2mg/mL的森林腦膜炎重組抗原溶液（pH7.4）中室溫反應(yīng)40min。最后使用氨基乙醇（50mmol/L，pH9.5）封閉 30min，PBS洗滌2次，氮氣吹干備用。

1.6 樣品的蛋白質(zhì)非特異性和特異性吸附

1.6.1 蛋白質(zhì)非特異性吸附

將制備的三種乳糖固定樣品和氨基化樣品置于24孔板內(nèi)并加入400μLBSA-HRP。樣品37℃孵育2 h后，吸出蛋白溶液并用磷酸緩沖液清洗3次。

1.6.2 蛋白質(zhì)特異性吸附

將制備的三種乳糖固定化樣品和氨基化樣品置于24孔板內(nèi)并加入400μLBSA（1mg/mL）。樣品37℃孵育2 h后，吸出BSA溶液并用磷酸緩沖液清洗3次。向孔板內(nèi)加入400μL PNAHRP。樣品37℃孵育2 h后，吸出蛋白溶液并用磷酸緩沖液清洗3次。

在含有樣品的孔板中加入1mLQuantaBluTMFlurogenic Peroxidase Substrate，37℃孵育 10 min后加入1mL終止液。分別取200μL反應(yīng)后溶液置于96孔板中，酶標儀（激發(fā)波長230 nm，發(fā)射波長450 nm）讀取各孔的熒光強度。每個樣品重復(fù) 3～5次。

1.7 基于生物膜干涉技術(shù)測定蛋白質(zhì)結(jié)合的熱力學(xué)常數(shù)

BLI傳感器的氨基探頭按照method 1進行乳糖固定并采用1mg/mLBSA溶液封閉30min，緩沖液清洗并氮氣吹干。將經(jīng)過上述處理的探頭依次插入下列溶液中并監(jiān)測信號變化：緩沖溶液30 s，PNA蛋白質(zhì)溶液（濃度為0.001,0.005,0.01,0.1,0.5 和 1mg/mL）180 s，緩沖溶液 30 s，再生溶液（10mmol/L 甘氨酸，pH=3）30 s,緩沖溶液 30 s。檢測過程中盛放溶液的離心管在25℃恒溫條件下1000 r/min橢圓振蕩。使用Langmuir吸附平衡公式對其響應(yīng)值進行擬合：

重力位場成像是將勘測區(qū)域下半空間剖分成均勻網(wǎng)格，然后根據(jù)歸一化相關(guān)函數(shù)(掃面函數(shù))計算每一網(wǎng)格節(jié)點的相關(guān)系數(shù)，實現(xiàn)重力異常成像，成像結(jié)果表征了地下異常地質(zhì)體的分布形態(tài)和質(zhì)量剩余(盈余或缺失)情況[27-33]。

Q=(Qm.c)/((Kd+c))

式中Q為吸附量響應(yīng)值,Qm為最大吸附量響應(yīng)值，Kd為解離平衡常數(shù)，c為溶液PNA濃度（mg/mL）。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫氧氨基乳糖乙烯基砜衍生物(化合物1)的合成

如圖1所示，采用Kochetkov反應(yīng)在碳酸銨和氨水的混合溶液對乳糖進行修飾，獲得脫氧氨基乳糖（化合物2）。該反應(yīng)將還原性糖分子的異頭碳羥基轉(zhuǎn)化成為氨基，這一種氨基常被用于糖分子的進一步衍生化，從而制備多種化學(xué)糖基化分子和材料。例如，該文課題組前期報道了脫氧氨基糖（包括單糖和寡糖）與二硫化碳在堿性條件下室溫反應(yīng)，制備用于金襯底上自組裝的糖基二硫代氨基甲酸鹽[23]。在二乙烯基砜底物過量的條件下，化合物2的氨基與二乙烯基砜進一步反應(yīng)制備端基為乙烯基砜基團的糖衍生物（化合物1）。乙烯基砜基團具有高反應(yīng)活性，能夠與多種親核試劑在水溶液室溫發(fā)生加成反應(yīng)，例如，中性和偏酸性條件與巰基反應(yīng)；堿性條件與氨基反應(yīng)；當(dāng)溶液的pH高于10與羥基發(fā)生反應(yīng)[24]，從而實現(xiàn)材料的糖基化。

圖1 化合物1和2的制備流程Fig.1 Synthesis of Compound 1 and 2

2.2 乳糖固定和初步篩選

將氨基改性的樣品浸泡在化合物1的堿性水溶液（HEPES，pH=9.5），室溫反應(yīng)即可獲得乳糖固定的樣品，流程如圖2method 1所示。此外，該文還探索了兩種基于氨基改性樣品的乳糖固定方法。如圖2method 2和3所示，首先氨基改性樣品與DVS反應(yīng)，然后分別浸泡在化合物2和乳糖的堿性水溶液中。由于乙烯基砜基團高的反應(yīng)活性和不易水解的特性，method 2和3也可以制備乳糖固定的樣品。

圖2 在氨基改性表面的三種利用二乙烯基砜為偶聯(lián)試劑的乳糖固定方法Fig.2 Three methods of lactose immobilization on APTES-modified sample surfaces using DVSasa cross linker

牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）常被用于評價研究對象的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附能力。花生凝集素蛋白（Peanut agglutinin，PNA）是一種植物來源的凝集素蛋白，能特異性結(jié)合乳糖、半乳糖分子，常被用于評價糖基化材料的蛋白質(zhì)特異性吸附能力。該文采用上述兩種蛋白與偶聯(lián)辣根過氧化酶的偶聯(lián)物，即BSA-HRP和PNA-HRP,配合酶催化的熒光定量，比較三種乳糖固定樣品的蛋白質(zhì)非特異性吸附和特異性結(jié)合。如圖3a所示，樣品均有一定程度的非特異性蛋白質(zhì)吸附。其中method 1、2和3樣品的BSA吸附的量低于氨基改性的對照樣品，主要原因是對照樣品表面氨基所帶正電荷促進了蛋白質(zhì)的吸附，而后續(xù)的表面反應(yīng)降低了表面正電荷數(shù)量。對比method 2和3，method 1樣品具有更好的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附能力，推測其樣品表面固定的乳糖密度更高，多羥基與水分子形成水化層更致密，有效提高樣品的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附能力。

根據(jù)以上非特異性吸附的情況，樣品浸泡在BSA溶液（1mg/mL）封閉處理2 h，然后進行PNA蛋白質(zhì)特異性結(jié)合評價。如圖3b所示，氨基改性的對照樣品的熒光強度顯著下降，而method 1樣品能夠特異性結(jié)合PNA并高于method 2和3。綜上，相比method 2和3而言，method 1所制備樣品表面乳糖密度較高。

圖3 BSA-HRP(a)和PNA-HRP(b)在三種樣品表面的吸附情況Fig.3 Adsorption of BSA-HRP(a)and PNA-HRP(b)on samples prepared by three methods determined by fluorescence intensity

對比method 1和2，發(fā)現(xiàn)不同的反應(yīng)途徑影響了蛋白質(zhì)非特異性和特異性結(jié)合的程度。推測，部分化合物2在水溶液中發(fā)生分解，游離出氨分子。游離的氨進而與表面的乙烯基砜基團發(fā)生反應(yīng)，消耗了一部分的乙烯基砜基團。因此，method 2制備的樣品表面的乳糖密度偏低。在前期，采用method 3類似的方法構(gòu)筑了含糖高分子膜。雖然還原性糖異頭碳的羥基較醇羥基活潑，但是其反應(yīng)活性低于氨基[25]。目前，如何提高羥基的反應(yīng)活性，從而提高與乙烯基砜基團反應(yīng)的產(chǎn)率在持續(xù)研究中。綜上，該工作針對method 1進行了深入的研究。

2.3 蛋白質(zhì)水平糖生物活性

生物膜干涉技術(shù) （Biolayer interferometry，BLI）是一種基于光干涉現(xiàn)象的光學(xué)無標記傳感。兩束光在傳感器探頭涂層表面兩端發(fā)生，并且相互干涉，所形成的干涉光譜被光學(xué)檢測器監(jiān)測。當(dāng)傳感器探頭涂層表面有生物大分子吸附時，兩束反射光的光程差變大，相應(yīng)的干涉光譜發(fā)生漂移。通過實時監(jiān)測這一漂移過程，可以獲取表面配基/生物大分子的結(jié)合/解離定量信息。此項技術(shù)具有以下特點：待測溶液樣品用量小，最小為4 μL；無需復(fù)雜的進樣和微納流控系統(tǒng)；光學(xué)探頭插入待測溶液即可讀取結(jié)果。

采用method 1對傳感器探頭進行處理，定量研究表面乳糖／PNA蛋白質(zhì)結(jié)合/解離過程。如圖4 a所示，當(dāng)傳感器探頭插入PNA溶液，蛋白質(zhì)在表面發(fā)生吸附和解離，隨著時間延長吸附和解離趨向于平衡；當(dāng)傳感器探頭切換到緩沖溶液，已吸附的蛋白質(zhì)發(fā)生解離。對于吸附/解離過程進行動力學(xué)擬合，獲得了表面乳糖／PNA蛋白質(zhì)的動力學(xué)結(jié)合速率（ka）1.84×10-4mol/L/s、解離速率(kd)3.0×10-3/s。之后采用不同濃度PNA蛋白質(zhì)進行了等溫吸附實驗并采用Langmuir吸附方程進行曲線擬合，計算蛋白吸附解離平衡常數(shù)(Kd)1.65×10-7mol/L。Sleiman等[26]采用等溫滴定量熱法定量研究PNA與溶液中自由的半乳糖和乳糖的結(jié)合/解離，經(jīng)測定熱力學(xué)解離常數(shù)分別達到1.88×10-3mol/L 和 8.77×10-4mol/L。對比上述實驗結(jié)果，表面乳糖／PNA的熱力學(xué)解離常數(shù)遠遠小于文獻報道的溶液中自由糖分子。究其原因，method 1樣品表面展示的高密度的乳糖簇引起了PNA的四個亞基與多個糖分子之間作用，所造成的多價態(tài)結(jié)合大大提高了相互作用的強度[27-29]。

圖4 PNA蛋白質(zhì)在method 1樣品表面上吸附/解離的典型動力學(xué)曲線（a）和熱力學(xué)等溫吸附曲線(b)紅色曲線分別是數(shù)值擬合動力學(xué)和熱力學(xué)結(jié)果Fig.4 Typical kinetics(a)and isothermo(b)of PNA adsorption on method 1 samples.Red lines are fitted with kinetics and isothermo models,respectively

2.4 樣品表面元素分析

采用X-射線光電子能譜（XPS）定量分析了采用method 1固定乳糖的樣品表面元素。表1是氨基改性前后和乳糖固定前后樣品表面各種元素的百分比組成。對比未修飾的樣品表面，氨基改性樣品出現(xiàn)氮元素（圖5a），而進一步的化合物1反應(yīng)引入了硫元素（圖5b）。

XPS高分辨C 1s譜圖可以明確顯示乳糖固定前后碳化學(xué)物種的變化。結(jié)果如圖5c所示，未修飾的樣品表面在285.0 eV處有微弱的峰，歸屬為表面殘存的痕量碳污染物（C*-C）。經(jīng)過氨基改性的樣品在286.4 eV附近出現(xiàn)一個肩峰，歸屬為與氨基相連的亞甲基物種（C*-N）。進一步與化合物1反應(yīng)，樣品在286.4 eV附近的肩峰明顯增強，這是由于乳糖分子引入的C*-O物種。此外，288.0 eV出現(xiàn)一個新峰，歸因于強吸電子的砜基基團的相鄰碳物種（C*-SO2）。綜上，XPS結(jié)果表明，method 1可以在氨基改性的樣品表面引入含糖化合物。

表1 XPS測定的method 1樣品表面的元素摩爾分數(shù)(x)Tab.1 Elemental molar fraction(x)of samples prepared by method 1 determined by XPS

XPS在超高真空條件下分析樣品表面，適用于研究糖芯片的表面污染物、表面化學(xué)和處理過程。隨著XPS成像技術(shù)的普及，芯片二維表面上各種物種的可視化也成為了可能，能夠為糖芯片制造工藝提供定量、定位的重要信息。例如。芯片表面處理和清洗、接觸式打印的機械損傷、打印液滴的“咖啡環(huán)式”蒸發(fā)和芯片表面化學(xué)質(zhì)量控制。如何借助XPS譜學(xué)和成像信息，配合二次離子質(zhì)譜、拉曼成像等表面分析結(jié)果，指導(dǎo)和優(yōu)化糖芯片的制造工藝和保存條件，將有助于提升糖芯片等多種生物芯片規(guī)模制造的質(zhì)量。

圖5 method 1樣品XPSN 1s掃描譜圖(a)S2p掃描譜圖(b)和高分辨C1s譜圖(c)表征。Peak 1,2 and 3分別歸屬為C*-C,C*-NH2和C*-O,以及C*-SO2物種Fig.5 Detailed spectra for N 1s(a)and S 2p(b)and high resolution spectra for C 1s(c)on samples determined by XPS.Peak 1,2 and 3were assigned to C*-C,C*-NH2 and C*-O,and C*-SO2 species,respectively

3 結(jié)論

該文提出了在氨基改性表面利用二乙烯基砜為偶聯(lián)試劑共價鍵固定糖分子的策略。以乳糖為例，通過ELLA評價了三種固定乳糖的方法。其中，乙烯基砜衍生化的脫氧氨基乳糖（化合物1）與氨基改性表面反應(yīng)，所制備的樣品展示了較高的蛋白質(zhì)特異性吸附，并且具有良好的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附能力。在此基礎(chǔ)上，定量研究了固定乳糖與血凝素蛋白質(zhì)之間的多價態(tài)相互作用；定量分析了乳糖固定前后表面元素和化學(xué)物種的變化。該文所發(fā)展的利用二乙烯基砜為偶聯(lián)試劑的糖分子固定策略以及采用的表面分析技術(shù)，為氨基改性表面在糖芯片制備方面的應(yīng)用提供了有效的方法和評價手段。上述固定策略以及表面分析技術(shù)也適用于納米靶向藥物輸送材料、組織工程支架、傳感器和抗生物垢涂層等多種含糖生物表界面的制備和評價。

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