弗吉尼亚理工大学Kevin J. Edgar 综述：多糖-蛋白质和多糖-多肽偶联物的化学合成

蛋白质药物有着选择性高等优点，但较短的半衰期限制了其应用。蛋白质PEG化修饰可提高天然蛋白质的代谢时间，但不可生物降解的高分子量PEG可能会在人体内富集，并引发健康问题。因此将蛋白质或肽与可生物降解的聚合物偶联是一种有吸引力的替代方法。多糖是丰富的天然聚合物。多种多糖对人体安全并且可代谢。与天然蛋白质或肽相比，多糖-蛋白质或多糖-肽偶联物可能具有更高的溶解度、改善的乳化特性、更长的代谢时间、降低的免疫原性（对于疫苗则相反）以及增强的靶向性。

9月15日，弗吉尼亚理工大学Kevin J. Edgar课题组在《Carbohydrate Polymers》杂志发表了题为“Chemical synthesis of polysaccharide–protein and polysaccharide–peptide conjugates: A review”的综述文章。文章总结了多糖-蛋白质偶联物化学合成方法的最新进展，并讨论了偶联反应对蛋白质在溶解性，稳定性，乳化特性，免疫原性以及靶向性的影响。文章旨在帮助研究者选择，优化以及探索蛋白质-多糖偶联物的合成策略。

这篇综述详细讨论了还原胺化，美拉德反应，EDC/NHS缩合，DMTMM缩合，二硫键偶联，点击化学几种方法， 同时介绍了“Grafting from” 聚合， Ugi 反应，CNBr偶联以及交联剂交联法。

还原胺化（Reductive amination）是涉及醛或酮与胺的一种反应。这种方法相对成熟，但常常需要氧化多糖的邻二醇引入醛基。这种方法会破坏多糖的多元环结构。此外，pH会在多方面影响还原胺化反应。

图1 还原胺化

美拉德反应（Maillard reaction）同样涉及醛或酮与胺。美拉德反应在生活中十分常见，烤面包表面棕黄色的外皮就是通过美拉德反应生成。美拉德反应条件简单，但是其反应程度难以控制。反应时间，温度，pH，超声与微波都能影响美拉德反应。反应程度过高会生成成分复杂的毒性产物。

图2 美拉德反应

EDC/NHS缩合与DMTMM缩合涉及氨基与羧基。理论上，两种反应所用的偶联剂均不会出现在最终的产物中。EDC在水溶液中不稳定，且需要在较低pH下才能对羧基进行活化。但较低的pH会使氨基质子化，不利于后续的反应。DMTMM对水稳定，活化过程不需要pH控制，且偶联效率高于EDC/NHS。

图3 EDC/NHS缩合

图4 DMTMM缩合

二硫键偶联（Disulfide bond formation）仅涉及硫醇，不消耗蛋白质上的氨基。硫醇通常需要预先被引入到多糖和蛋白质中，再进行偶联反应。多糖-多糖，蛋白质-蛋白质偶联物会作为副产物生成。

图5 二硫键偶联

常见的点击化学（Click chemistry）有CuAAC反应（叠氮化物；炔）以及Thiol-ene反应（硫醇；烯烃）。点击化学是高度可靠的模块化方法。多糖以及蛋白质需要提前被修饰，以引入相关官能团。

图6 点击化学

多糖与蛋白质的偶联物是 PEG-蛋白质偶联物的非常有前途的替代物。多种结构不同的多糖，包括葡聚糖、糊精、藻酸盐、壳聚糖和透明质酸已被用于和蛋白质偶联。一些多糖-蛋白质偶联物已成功应用于临床，并在商业上取得成功。虽然其合成方法愈加成熟，但仍存在诸多挑战。首先，大多数偶联方法缺乏区域选择性，这会导致偶联物结构不均一以及不可预测。例如，氨基不仅仅存在于蛋白质的N端，也同时存在于蛋白质侧链上。因此，对于涉及氨基的偶合，在蛋白质上的反应位点难以控制。其次，产品的异质性问题难于解决，产物的分析与提纯困难。最后，蛋白质结构对其功能至关重要，但即使是不太苛刻的反应条件，也可能导致蛋白质失活。开发条件温和、有区域选择性的偶联方法仍长路漫漫。综述提出了几个可能的解决方案，例如：如果可以将叠氮化物和炔烃区域选择性地引入多糖和蛋白质，则可以生成可预测、控制良好、易于纯化的偶联物。随着化学、生命科学、医学的跨学科合作不断加深，多糖-蛋白质偶联物会在保留两种天然高分子优点的同时，拓展新的应用领域。

本文的第一作者为弗吉尼亚理工大学的博士生Yang Zhou（周杨），通讯作者为弗吉尼亚理工大学的Kevin J. Edgar教授。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118662

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！