为大家分享的是一篇22年5月发表在Chem上的文章，通讯作者由北京大学化学与分子工程学院的陈鹏教授和樊新元副研究员共同担任。陈鹏课题组的研究方向有生物正交化学和化学工具开发、蛋白质工程组学以及免疫化学生物学等等。本文中，作者开发了一种光催化分解平台，通过激活多种功能分子，实现了靶向细胞标记、表面蛋白质组的临近标记和选择性细胞杀伤，证明该方法为具有时空精度的靶细胞上各种光控分子操作的通用平台。

本文中，作者构建了如图一所示的细胞外靶向光催化脱笼系统(CAT-Ex)， 首先通过抗体实现体系中特定细胞的靶向作用，接着在抗体上通过NHS反应、Click反应等将催化剂修饰在抗体上。在蓝色LED(4 mW/cm2)光照下，抗体上的催化剂将溶液中的失活目标分子脱笼，从而发挥目标分子各种各样的作用。

图1 细胞外靶向光催化分解化学 (CAT-Ex) 示意图

在构建好CAT-Ex平台后，作者接着进行了平台的功能验证，构建了特异性表达癌细胞标志物HER2和PD-L1抗原的MDA细胞系，并使用PAB包裹住香豆素以消除其荧光。使用荧光寿命成像显微镜可以观察到催化剂铱络合物在细胞表面的磷光分布（图2E），而在未表达抗原的野生型细胞中不存在催化剂的附着信号，证明了催化剂的靶向能力；使用香豆素作为验证催化活性的底物，经过细胞处理后提取上清液检测荧光，发现HER2 + MDA 细胞和PD-L1 + MDA 细胞上清液荧光强度明显增强，证明了催化剂对目的细胞的光催化活性；

图2 CAT-Ex 平台的开发和验证

接下来，作者尝试使用CAT-Ex进行原位活细胞标记。首先作者将PAB封锁的生物素标签通过NHS反应锚定在细胞表面，如果抗体与细胞结合，则抗体上的催化剂会将生物素脱笼，进而能够与荧光链霉亲和素反应。将HER2 + MDA细胞与野生型MDA细胞混合，经过抗体处理、LED照射和链霉亲和素染色后，HER2 + MDA细胞表现出显著的生物素化（图3B），且生物素活化程度与HER2受体表达量成正相关(图3D)；作者还构建了移植HER2 + MDA肿瘤的小鼠模型，提取肿瘤原代细胞混合培养后，流式细胞术依旧可以显示出HER2 + MDA细胞更高的生物素活化信号，证明了体系对复合肿瘤微环境中的靶向肿瘤细胞的有效降解。

图3 CAT-Ex 介导的生物素脱笼进行原位活细胞标记

随后，作者通过CAT-Ex技术对细胞表面蛋白质进行组学分析，与上一节不同之处是，在生物素标签中额外添加了QM基团（图4A），使用链霉亲和素珠富集生物素化的蛋白质，然后进行酶消化并用质谱做蛋白质组学分析。如图4G所示，在三个独立实验中鉴定了总共 11 种显著富集的 HER2 + MDA 细胞蛋白和 17 种 SKBR3 细胞蛋白，两种阳性细胞系中均持续检测到 HER2 蛋白，验证了蛋白质标记以邻近依赖性方式发生，大多数标记的蛋白质位于细胞膜上，并且许多蛋白质先前已被报道在功能上与 HER2 相关。

图4  CAT-Ex原位对表面蛋白质组进行邻近标记

最后，为了探究CAT-Ex用于靶向杀伤细胞的能力，作者将抗癌药物MMAE利用PAB包围失活，而使用CAT-Ex平台处理后，在HER2 + MDA 细胞中达到了65%的显著死亡率，而使用野生型或DMSO处理的对照组中未看到明显的细胞死亡（图5B、C）。作者指出，CAT-Ex体系介导的的凋亡反应是催化反应，其催化活性是可持续的，而不是随着前药活化而消耗，进一步在效率和剂量方面促进了前药治疗。

图5  CAT-Ex 靶向前药激活选择性杀伤细胞

总之，作者通过生物正交脱笼CAT-Ex策略为活细胞表面的多种操作提供了一个通用平台，例如通过原位生物素脱笼进行抗体定向选择性癌细胞标记，通过前药脱笼选择性杀伤细胞等等。此外，光控催化的条件为这种操作提供了时空精度。目前作者正在进一步努力优化CAT-Ex平台，使其具有更长的波长激发光催化剂、更好的灵敏度和量化能力，以及在临床相关环境中对靶细胞进行更多功能操作。

文章作者：HBQ

DOI：10.1016/j.chempr.2022.04.016.

责任编辑：HBQ