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3大应用,剖析糖组学应用前景

编者按:

与蛋白质和核酸相比,我们对聚糖的研究还处于初级阶段。然而,越来越多的研究表明种类丰富的聚糖在多种生物功能中都发挥了作用,从免疫调节到抗病毒,再到血糖调节和抵抗肿瘤。未来,糖组学可能会成为继基因组学和蛋白质组学后的下一个组学。

今天,我们共同关注糖组学。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

聚糖

聚糖(glycan)参与了一系列的关键生物过程,如维持组织弹性、对抗病原体和调节免疫系统。因为它们在很多生物功能中都发挥作用,而且不断有新功能被发现,所以研究人员对于糖组学(即一个细胞中全部聚糖的集合)越来越感兴趣,并期待利用这一组学开发出新的诊断方法。

聚糖是由结构简单的糖连接在一起,形成的复杂结构。人类基因组大约包括 25000 个编码蛋白的基因,而人类的糖组学则包含数百万种不同的聚糖种类。

聚糖结构会随着环境的刺激而改变,如 pH、激素刺激和炎症。一个细胞的糖组学反映了细胞内分子水平上发生的各种事件。利用聚糖的这种巨大的多样性,可以开发出高度特异性的诊断方法,以提供非常详细的信息。

应用1:炎症和免疫中的聚糖

聚糖可以通过糖基化过程连接到其他分子上,比如脂质和蛋白质。在我们的细胞中看到的糖基化模式在维持免疫系统的健康和保持炎症反应方面发挥着关键作用,这一点早已为人所知。因此,检测糖基化模式的变化为一系列疾病的发展过程提供了宝贵的见解。

Avenna 公司首席执行官 Nina Skorytchenko 说:“由于蛋白质糖基化是一个在体内不断发生的动态过程,它可以反映其当前状态,并可用于监测疾病的发展以及个性化治疗。”Avenna 公司是一家英国的初创公司,目前开发了针对炎症性肠病(IBD)、慢性炎症和易受 Covid-19 感染以威胁生命的炎症水平的糖组学测试。

Avenna 公司开发的 IBD 生物标志物法可以测量糖组学数据,以预测哪些病人需要更多的治疗。 Skorytchenko说:“它可以与其他组学数据一起被用于治疗管理的策略制订中,为减轻疾病和降低复发率,减少病人问诊、调查和住院次数,改善生活质量,推迟肠道损伤的积累,并为 IBD 治疗管理个性化提供了可能。”

抗体是聚糖修饰蛋白质的一个典型例子。观察抗体的糖基化模式比仅仅观察抗体水平更能了解疾病的进展。比如,虽然免疫球蛋白 G(IgG)的抗体水平表明了免疫力情况,但它的聚糖却暴露了该抗体所对抗的炎症的具体信息。

Skorytchenko 补充说:“IgG 主要负责识别、中和以及消除病原体和毒性抗原,修饰该分子的聚糖赋予它更多的复杂性,从而调节其功能。这提供了关于个体当前健康状况的宝贵信息――特别是身体炎症状况。”

应用2:作为肿瘤标志物的聚糖

细胞产生的聚糖变化是癌症的标志之一。许多临床批准的癌症生物标志物,如结肠癌的癌胚抗原(CEA),都是糖蛋白。这就是初创公司和研究人员正在将糖组学方法加入到癌症检测的工具目录中的原因。然而,传统的诊断方法通常侧重于糖蛋白的蛋白质部分,这可能导致了癌症诊断较差的特异性。

Glycanostics 公司联合创始人兼首席执行官 Tomas Bertok 说:“如果某人的血液中 CEA 水平升高,他们可能是一个烟瘾很重的人,或者可能患有癌症。癌症又可能是结直肠癌、卵巢癌、胰腺癌或乳腺癌,这是我们无法确定的,因为该标志物没有组织特异性。”

斯洛伐克的生物技术公司 Glycanostics 正在利用聚糖的多样性来开发非侵入性的早期癌症诊断方法。该公司的诊断试剂盒可以通过测量血液中特定抗原的聚糖含量的变化,检测乳腺癌和前列腺癌。

“聚糖拥有巨大的组合潜力来编码生物信息。因此,将这些分析加入到常用的测试中可能会大大增加目前诊断的准确性。最大的价值在于为诊断算法提供了不同标志物类型的组合――我们正在使用聚糖、蛋白质和其他一些临床和生物数据。”

应用3:用聚糖检测病原体

当病原菌攻击我们的细胞时,免疫细胞能够检测到其表面的聚糖,以便识别和摧毁它们。然而,为了躲避免疫系统,细菌经常模仿产生宿主细胞上的聚糖。因此,分析细菌表面的聚糖或许将开辟出新诊断和治疗方法。

英国生物医学初创公司 FluroretiQ 将纳米材料和光学传感技术结合起来,对致病菌的聚糖进行量化。值得一提的是,该公司可以在 15 分钟内识别尿路感染相关常见细菌。

FluoretiQ 的产品经理 James Preece 解释说:“聚糖在感染的细胞间识别过程中起着至关重要的作用,正是通过识别聚糖特征,细菌才能识别、粘附和定植于宿主组织进行感染。”

与基于蛋白质的诊断方法相比,聚糖具备商业优势。Preece 补充说:“与基于蛋白质的同类产品相比,它们的制造成本要低得多,可以随时修改,而且在室温下的稳定性更高。”

除了诊断学之外,对糖组学的新见解正在进一步推动利用人工合成糖来控制免疫反应和炎症疗法的发展。就像以前的基因组学和蛋白质组学一样,新兴的糖组学领域要想获得成功将取决于我们低成本和快速地量化聚糖和糖肽的能力。

Bertok 表示:“复杂的聚糖在之前的生物医学研究中被忽视了,仅仅是因为我们没有分析它们的技术。现在我们拥有了这些技术,但它们耗时长,而且极其昂贵。我们正设法实现在几个小时内在实验室的桌子上完成这些聚糖分析。”这种向快速和低成本桌面设备的转变,正是该领域下一步发展的关键。

原文链接:

https://www.labiotech.eu/in-depth/glycans-diagnostics/

作者|SACHIN RAWAT

编译|Johnson

审校|617

编辑|豫小鱼