细胞与细胞之间、细胞与外环境之间的相互作用和交流对于细胞行为和生理过程具有重要作用,而这些相互作用高度依赖于细胞表面表达的受体和配体。因此,通过细胞表面工程来调控细胞膜上的人工受体/配体的表达,有望调控细胞行为,实现特定功能。糖(配体)与蛋白(受体)之间的特异性相互作用,在信息传导、细胞粘附、增殖、分化和免疫应答等方面具有重大意义,但是天然糖类的复杂性,限制了特定结构的糖分子对特定细胞行为的研究。因此,可以借助化学合成手段制备结构可控的含糖聚合物,并开发在细胞膜上呈现人工合成含糖聚合物的细胞表面工程方法,来研究含糖聚合物对细胞行为的调控。这不仅扩充了在细胞表面构建聚糖的方法,还对研究特定糖分子结构-功能的关系以及糖分子介导的信号机制等方面具有重要意义。基于上述思路,本论文围绕“含糖聚合物对细胞膜的修饰及对细胞行为的调控”这一主题开展了系列工作。首先,针对用于细胞表面工程的含糖聚合物合成比较复杂,并且基本上都是不可逆结合,很难达到多种或动态功能化的问题,我们利用合成的含糖聚合物构建了一个细胞表面工程平台,实现对多种细胞行为的调控,如神经分化和免疫反应。另外对于比较特殊的内皮细胞,我们进一步开发了一种新型细胞膜表面糖基化的方法,通过结合细胞代谢糖工程和生物正交反应将特定结构的含糖聚合物修饰到内皮细胞膜表面,研究对内皮细胞增殖和迁移的影响。具体研究内容如下:(1)利用模块化聚合物构建细胞表面工程平台。首先是制备不同功能模块的单体,随后将单体2-甲基丙烯酰胺基吡喃葡萄糖(MAG,糖模块)、甲基丙烯酸胆固醇酯(MAC,锚定模块)、寡聚乙二醇1-金刚烷羰基甲基丙烯酸酯(OEGMA-Ada,客体模块)和荧光素O-甲基丙烯酸酯(FluMA,荧光标记模块)通过可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合合成了四组分的模块化聚合物(pACGFs),并通过调节投料比制备一系列组分含量不同的聚合物。实验结果表明这些共聚物对L929细胞具有良好的细胞相容性,并能通过胆固醇单元快速高效地插入细胞膜进行修饰。通过调控聚合物中胆固醇的含量可以调节其在细胞膜上的停留时间,其中对于胆固醇含量较高的pACGF3和pACGF4,在修饰HeLa细胞12 h后仍能大部分停留在细胞膜表面。另外,通过引入异硫氰酸罗丹明B单取代的β-CD衍生物(CD-RBITC),证明了该模块化聚合物在溶液中和在细胞膜上均可发生主客体相互作用,由此可以对细胞进行成像和进一步功能化。(2)上述合成的模块化聚合物对mESCs神经分化的研究。首先验证了模块化聚合物对mESCs无毒并能修饰到mESCs细胞膜表面。分化7天后,pACGFs改性的mESCs组β3-微管蛋白(β3-tubulin,神经元标记蛋白)的表达量较低,而引入磺酸基七取代的β-CD衍生物(CD-S)得到糖胺聚糖(GAG)类似物后,β3-tubulin的表达量明显增加,并且随着聚合物中胆固醇含量的增加出现先增加后降低的趋势,其中pACGF2结合CD-S后,细胞中β3-tubulin表达量是天然肝素孵育组的～2.2倍。进一步通过碱性成纤维生长因子(FGF2)的结合实验表明可停留在细胞膜上的pACGF2和pACGF3结合CD-S后均能增强mESCs对FGF2的结合能力。上述结果表明胆固醇含量较低的pACGF2结合CD-S后具有高效促mESCs神经分化的效果,而胆固醇含量高的pACGF3结合CD-S后虽然具有较好的FGF2结合能力,但其促分化效果较差,这可能是聚合物在细胞膜上伸展受限而使FGF信号通路受阻所致。(3)上述合成的模块化聚合物改性的癌细胞对免疫反应促进作用的研究。模块化聚合物与甘露糖基七取代β-CD衍生物(CD-M)主客体相互作用后能得到异质糖聚物pACGFs-M。通过石英晶体微天平(QCM)验证了 pACGF1-M 比pACGF1与巨噬细胞膜表面的CD206蛋白(一种典型的C-型凝集素受体)具有更高的特异性结合能力。将结合CD-M前后的两种含糖聚合物修饰的HeLa细胞(pACGFs-HeLa和pACGFs-M-HeLa)用于刺激U937细胞。结果表明,改性的HeLa细胞均能促进巨噬细胞向M1表型的极化,并且pACGFs-M-HeLa促进效果优于pACGFs-HeLa,同时还随着胆固醇含量的增加而增强。另外,对于相同胆固醇含量的聚合物而言,促进效果随着其中金刚烷含量的增加而增强。同样,pACGF3-M改性的4T1细胞比pACGF3改性的4T1细胞更能促进小鼠树突状细胞的成熟。(4)结合细胞代谢糖工程和生物正交反应技术在内皮细胞膜表面修饰GAG类似物并研究其促内皮化的作用。首先成功通过代谢糖工程对内皮细胞进行叠氮标记,并证明了细胞表面叠氮标记对内皮细胞的增殖不会产生影响。通过MAG和对苯乙烯磺酸钠(SS)的RAFT聚合合成了 GAG类似物(pGS)和生物素化的GAG类似物(pGSB),随后利用聚合物尾端还原得到的巯基和二苯并环辛炔-马来酰亚胺反应制备了可以与叠氮进行无铜点击反应的GAG类似物(pGS-DBCO和pGSB-DBCO)。通过亲和素-异硫氰酸荧光素的标记,证明了 PGSB-DBCO成功修饰到内皮细胞膜表面,并且在细胞膜上的停留时间超过48 h。进一步,以硅片为基底模型的研究表明,pGS-DBCO修饰到内皮细胞膜表面能促进内皮细胞与生长因子(VEGF和FGF2)的结合,从而促进内皮细胞的增殖和迁移。总之,本论文开发了两种将人工聚糖修饰到细胞膜上的方法,并探索了特定结构的聚糖分子对特定细胞行为的调控。首先通过多锚点插膜修饰和超分子化学相结合的方法,成功构建了一个细胞表面工程平台,不仅实现了可调的停留时间,还通过主客体相互作用实现了多功能性。另外,通过代谢糖工程和生物正交反应相结合的方法,成功将GAG类似物修饰到内皮细胞膜上,为促内皮化提供了新的思路。