细胞表面是细胞结构的重要组成部分,它参与了细胞内的代谢调控、信号传递和物质运输等诸多生物学过程,并且是细胞与外环境之间进行信息交流的关键枢纽。揭示细胞表面的精细结构及其与各种细胞活动之间的联系一直以来是细胞生物学的研究重点。细胞表面工程是目前细胞生物学领域中的核心技术之一,该技术旨在利用包括基因编码、代谢标记、化学修饰和物理吸附在内的多种修饰策略将外源性的功能单元引入到细胞表面。根据所引入功能单元的不同,研究人员已经能够实现基于细胞表面的荧光成像、生物检测、生物传感和疾病治疗等诸多生物医学应用。然而,目前对于细胞表面修饰技术的优化和创新依然存在很多不足之处。一方面,不同的修饰策略存在其各自的适用范围,因此需要我们深入评价这些修饰策略在不同研究方向和应用场合中的优缺点。另一方面,如何设计并构建新的细胞表面修饰策略仍是亟待解决的技术挑战。本文探究了细胞表面工程在荧光成像、抗癌和抗菌三方面的应用,并开发了一系列新的细胞表面修饰策略。在荧光成像方面,本文针对疏水膜锚定和共价修饰两种修饰策略,研究了它们在哺乳动物细胞膜成像和细菌细胞壁成像上的应用。具体来说,本文首先构建了一种免清洗的细胞膜红色荧光探针。该荧光探针由聚乙二醇-胆固醇和荧光基团Cy5通过共价连接形成,其中胆固醇分子能够通过疏水相互作用锚定到细胞膜的磷脂双分子层中,亲水的聚乙二醇高分子赋予了该探针良好的水溶性。该探针能够在短时间内快速结合到细胞膜上,并稳定滞留至少2小时以上。利用斑马鱼胚胎作为成像模型,本研究发现该荧光探针能够跨过斑马鱼胚胎表面的黏液层,并均匀附着在表皮细胞膜上,从而实现对斑马鱼胚胎表皮的原位三维荧光成像。在另一个工作中,本文发展了一种基于酪氨酸酶催化的共价修饰策略并用于革兰氏阳性菌细胞壁的功能化。该策略利用苯酚在酪氨酸酶催化下能够被氧化为苯醌的特性,实现了修饰分子与细菌细胞壁中磷壁酸之间的共价连接,从而将荧光基团和生物素标记在细菌表面。除荧光成像外,该修饰策略还能够实现革兰氏阳性菌特异性的光动力抗菌、磁分选和可视化检测,具有广阔的应用前景。在抗癌应用方面,本文聚焦于疏水膜锚定策略并发展了两种定位于癌细胞膜的光动力抗癌试剂。首先,本文构建了一种以乙二醇壳聚糖高分子为骨架,侧链接枝有聚乙二醇和原卟啉分子的光动力试剂。该试剂在水溶液中会自组装形成纳米颗粒,但当到达肿瘤细胞表面时,该纳米颗粒会发生原位解组装,其中的原卟啉分子以多位点的方式疏水锚定至细胞膜上。在激光照射下,原卟啉分子能够产生单线态氧并破坏细胞膜完整性,导致癌细胞坏死;而细胞膜破损进一步促进了胞外的光动力试剂进入细胞内部,从而实现增强的光动力抗癌效果。在另一个工作中,我们基于胆固醇-聚乙二醇这一分子构架,合成了一种单位点膜锚定光动力试剂（胆固醇-聚乙二醇-原卟啉）。类似的,该试剂也具有很强的膜亲和力,能够在光照下快速破坏癌细胞膜。此外,由于胆固醇分子会触发脂筏依赖的细胞内吞,该试剂在长时间孵育后会富集在癌细胞的内膜系统中,实现协同的光动力治疗。为了避免膜锚定分子在血液循环中会非特异性地锚定到血细胞上,本工作将该药物原位锚定在脂质体上,利用脂质体的长循环和被动靶向特性实现对肿瘤区域的药物递送。在抗菌应用方面,本文发展了一种定位于细菌表面的光动力抗菌试剂。区别于大多数基于静电相互作用的抗菌策略,本工作完全利用疏水相互作用实现了光敏剂与细菌表面的结合。该试剂的结构与上述光动力抗癌试剂相同,即胆固醇-聚乙二醇-原卟啉,其中胆固醇与原卟啉能协同地疏水锚定至革兰氏阴性菌的外膜。抗菌实验结果表明,游离的原卟啉仅能杀死部分革兰氏阳性菌,而本抗菌试剂则能够在白光照射下高效灭活革兰氏阴性菌和阳性菌。本工作不仅提供了一种新型光动力抗菌试剂的构建方法,而且为基于细菌外膜的疏水锚定策略提供了实验依据。总之,本文系统研究了包括疏水锚定和共价连接在内的细胞表面修饰技术在荧光成像、抗癌和抗菌领域的应用。这些工作丰富了目前针对哺乳动物细胞膜和细菌表面的修饰策略,有望推动细胞表面工程在生物医学领域的进一步发展。