陳鵬/樊新元團隊開發生物正交光催化的細胞互作定量标記技術CAT-Cell

　　腫瘤的發生發展與複雜的細胞-細胞相互作用（cell-cell interactions，CCIs）密切相關。有效的抗腫瘤細胞免疫取決于腫瘤與細胞毒性免疫細胞，特别是細胞毒性T細胞之間的特異性相互作用。這些相互作用直接影響腫瘤的抑制和根除，因此，研究這些狀态特異的細胞互作對表征免疫反應和指導免疫治療應用至關重要。但由于這類相互作用高度動态、強度複雜多樣并且受到腫瘤特有的免疫逃逸機制的影響，使得在活細胞背景下直接定量檢測他們十分具有挑戰性。近期，鄰近标記策略被逐漸應用于細胞互作表征領域，其利用原位标記，集檢測、分離和下遊分析于一體，具有獨特的優勢。部分基于生物酶或是化學分子的鄰近标記策略已在檢測特定CCIs方面有了進展。但是這些方法的應用受限于基因層面操作、複雜的偶聯物的合成、額外的細胞刺激損傷或是專職抗原提呈細胞相關的應用範圍。由于腫瘤-免疫細胞互作的特殊性和複雜性，新的鄰近标記策略亟待發展。

　　陳鵬和樊新元課題組前期利用光催化反應的特點和優勢，提出開發生物正交光催化反應，并基于這類新型反應進行了生物體系中蛋白質鄰近标記的系統研究。例如，他們基于光催化産生亞甲基醌标記探針的反應，分别開發了靶向細胞内線粒體的CAT-Prox技術(J. Am. Chem. Soc. 2021, 18714)，靶向胞膜的CAT-Ex技術(Chem. 2022,2179)。同時，他們積極探索生物正交光催化的應用邊界，分别從标記靶标拓展(PhotoCAX技術，Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202202008)、光源波長優化(CAT-NIR技術，Angew. Chem. Int. Ed. 2023,e202310920)、标記探針疊代(CAT-S技術，Nat. Commun. 2024, 2712)等多個方面開展了系統性的探索與研究，充分展示了這類新型化學反應在生命科學研究中的應用和價值。

　　近日，針對上述CCIs研究面臨的問題，他們利用化學改造調控亞甲基醌探針的标記半徑使其适用于細胞間的化學标記，進而開發了靶向胞際的CAT-Cell技術。該研究以Bioorthogonal quinone methide decaging enables live-cell quantification of tumor-specific immune interactions為題發表在近期上線的JACS期刊(J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c02052)。CAT-Cell技術利用銥（III）配合物光催化劑和疊氮苯基PAB保護的亞甲基醌探針，其具有靈敏、通用、無創和靈活的化學調控性等優勢，實現了在細胞系樣品和原代組織樣品中腫瘤-免疫細胞的活細胞互作标記和定量表征，證明了該策略于原代樣品中解碼腫瘤細胞與免疫細胞之間多種相互作用狀态以及解析腫瘤微環境中浸潤性淋巴細胞組成的巨大潛力（圖1）。CAT-Cell技術的出現，标志着生物正交光催化鄰近标記體系從胞内到胞膜、再到胞際的以細胞為基–單元的生物空間全覆蓋，實現了生命體系中不同空間尺度的時空标記與原位解析，充分體現了生物正交光催化這類新型策略的潛力和優勢。

　　圖1. 基于生物正交光催化的細胞間相互作用标記方法（CAT-Cell）示意圖

　　首先，作者合理設計和優化了亞甲基醌探針的結構，通過調整探針中間體的活性和擴散半徑，使其适配于細胞間标記的環境與空間距離。之後，他們分别在小分子、蛋白質層面對該标記反應進行表征，并在CD40-CD40L介導的HEK293T細胞互作體系中進行了細胞間标記的驗證。此外，作者們還将CAT-Cell策略與抗體靶向平台相結合，通過制備納米抗體—光催化劑偶聯物成功實現了特定腫瘤細胞的互作細胞鑒定與分析，展示了該策略應用于多種場景的潛力（圖2）。

　　圖2. CAT-Cell策略在蛋白質層面、互作細胞體系及串聯抗體靶向系統中的标記效率

　　進一步，他們又拓展了CAT-Cell策略在pMHC-TCR互作體系以及原代樣品中的應用。在腫瘤微環境中存在多種腫瘤—免疫細胞相互作用，其中pMHC-TCR介導的細胞間相互作用對于研究殺傷性免疫細胞特别是抗原特異性T細胞對腫瘤細胞的識别具有重要意義。然而，由于TCR具有高度多樣性和親和力低的特點，解析pMHC-TCR介導的互作細胞信息十分具有挑戰。作者們成功将CAT-Cell策略用于pMHC-TCR互作體系中，證明了該方法的高效性、靈敏性、特異性和定量性，證明了該策略綜合反映細胞互作強度以及免疫細胞響應狀态的能力。之後，他們也成功将CAT-Cell應用于表征腫瘤組織中浸潤性的CD8⁺ T細胞對腫瘤細胞的特異性識别情況，并靈敏定量地反映了兩者間相互作用的強度和CD8₊ T細胞的抗腫瘤活性。此外，CAT-Cell策略還成功在小鼠原代脾髒組織中鑒定了重要的固有免疫細胞—自然殺傷細胞對腫瘤細胞的識别情況，證明了該生物正交光催化策略對多種細胞互作表征的靈敏性和普适性（圖3）。

　　圖3. CAT-Cell技術用于腫瘤-T細胞互作的定量表征

　　總而言之，該研究利用亞甲基醌類探針反應底物的廣泛性、化學可控性和生物相容性，結合具有時空分辨率的光催化生物正交剪切反應，發展了表征細胞間相互作用的CAT-Cell策略。該策略高效、靈敏、通用、溫和且無需基因操作，可以幫助研究者們在沒有預先了解介導細胞互作的分子信息的情況下，對多種細胞—細胞相互作用進行分析，為研究腫瘤細胞特異性識别進而深入解析免疫應答機制提供了有力工具。同時，該策略進一步将生物正交光催化這類新型化學生物學技術從胞内和胞膜拓展到胞際空間，充分體現了新型技術在生命科學研究中的巨大潛力和優勢。

　　beat365官方网站樊新元和陳鵬教授為該文的通訊作者，博士研究生張妍與博士後劉士博與為該文的共同第一作者。該研究工作得到了中國科學技術部、國家自然科學基金委員會、北京市科學技術委員會、新基石基金會和北京分子科學國家研究中心等項目資金的支持。

　　論文鍊接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c02052