细胞表面疏水锚定的物理化学基础

Through in-situ modification of cell membranes, cell surface engineering can alter the properties of cells and modulate the cellular behaviors and fates. Developing stable, safe, and functional cell surface modification reagents is the most important and difficult issue in the cell surface engineering field. Hydrophobic anchoring modification is one of the safest and most efficient cell membrane modification strategies. However, the understanding of the physicochemical foundations of cell membrane hydrophobic modification is still lacking. The evaluations of the physicochemical foundations of cell membrane hydrophobic modification is crucial to optimize membrane modification strategies and design safe and effective membrane modification reagents. By designing single and multiple cell membrane modification reagents and adopting the single- and double-modification strategies, this project will investigate how the hydrophobic membrane anchoring strategy will affect the physicochemical properties of model cell membranes (including membrane morphology, curvature, stability, lateral diffusion, flip-flop, lipid conformation, and phase separation) by using various linear/nonlinear spectroscopic and optical imaging techniques. Based on these results, we will also develop methods for evaluating the in-situ cell membrane modification technique. Besides, the project will design photosensitive membrane hydrophobic anchoring reagents to see how they can alter the physicochemical properties of cell membranes under the irradiation of light. This study will have profound implications for realizing and broadening the applications of in-situ cell membrane modification strategy on cancer diagnosis and therapy.

细胞表面工程是通过原位修饰细胞膜从而达到改变细胞性质并调控细胞行为和命运的目的。开发稳定、安全以及功能化的细胞表面修饰试剂，是目前细胞表面工程领域的重点和难点。疏水锚定修饰是最安全和最有效的细胞膜修饰技术之一，但是目前人们对细胞膜疏水锚定修饰的物理化学基础的认识仍十分欠缺。评价疏水锚定修饰的物理化学基础，对于优化膜锚定策略以及设计安全、高效的膜修饰试剂至关重要。本项目将设计单位点和多位点膜锚定试剂，结合单重和双重膜锚定策略，以模型细胞膜为主要研究对象，采用多种线性和非线性光谱及光学成像技术，研究疏水锚定修饰对细胞膜形态、曲率、稳定性、侧向扩散、翻转运动、磷脂构象以及分相行为等物理化学性质的影响，并发展评价细胞膜原位修饰技术的方法。此外，项目将开发具有光响应性能的膜疏水锚定试剂，并探究光刺激对细胞膜物理化学性质的影响规律。该研究对于实现并拓展细胞表面工程技术在癌症诊疗方面的应用具有重要意义。

细胞膜疏水锚定策略是实现细胞表面工程化的重要策略，对于调控细胞的行为和命运至关重要。本项目围绕“细胞表面疏水锚定的物理化学基础”这一研究主题，开展了一系列关于细胞膜方面的探索，设计并合成了多种具有细胞表面锚定能力的高分子材料和纳米材料，研究了不同化学组成、结构和物化性能的材料对细胞膜锚定效果的影响，取得了很好的研究进展。该项目还详细探讨了基于胆固醇和原卟啉疏水锚定的细胞膜修饰策略的机理，从光谱学、成像技术、表界面技术、模型细胞膜及活细胞及活体模型等方面探索了疏水锚定的物理化学机制，并发展了多种活细胞膜和活体细胞膜染色标记技术。此外，基于胆固醇和原卟啉分子的疏水锚定策略，项目开发了多种定位于细胞膜的抗癌和抗菌试剂，并实现了很好的生物医学应用。具体取得了如下成果：（1）发现原卟啉分子具有十分优异的细胞膜表面疏水锚定的效果，开发了基于原卟啉的疏水膜锚定策略，并实现了基于原卟啉的细胞膜成像以及细胞膜荧光成像介导的光动力学治疗；（2）实现了耐透化处理的细胞膜成像，并实现了细胞膜、细胞核和细胞骨架的同时荧光染色成像；（3）发现胆固醇可以提高光敏剂在细菌表面的吸附，从而实现细菌细胞表面的荧光成像，以及荧光成像介导的死活染色以及抗菌应用等；（4）开发了胆固醇-聚乙二醇-Cy5荧光探针，并实现了体外和体内的普适性免清洗细胞膜荧光成像。更重要的是，由于该探针具有亲水性的聚乙二醇链段，其可以很好地溶于水并跨越斑马鱼表皮的粘液层，从而实现斑马鱼表皮细胞的高质量三维荧光成像。预期以上成果将在荧光探针、抗菌材料以及抗癌纳米药物等领域产生积极影响。该项目总计发表SCI论文12篇，包括Chem. Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Control. Release, Chem Commun., Nanoscale, ACS Biomater. Sci. Eng.以及Langmuir等。申请中国发明专利4项，获授权中国发明专利1项。