CMP-C9-Azido-Sialic Acid：结构特征、生物正交应用与糖工程研究

一、背景简介

唾液酸（Sialic acids）是广泛存在于哺乳动物细胞表面糖链末端的九碳单糖，具有负电荷、亲水性和高度多样性的结构特征。它在细胞识别、信号转导、免疫调节、肿瘤转移等过程中发挥关键作用。其中，N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）是常见的一种。

CMP-sialic acid（细胞苷酸唾液酸） 是唾液酸在体内通过CMP-sialic acid synthase 激酶作用与胞苷一磷酸（CMP）结合的活性形式，是糖基转移酶在糖基化反应中的底物。

为了研究糖链功能、改造糖基化途径、引入可标记功能团，研究者设计并合成了多种人工唾液酸类似物，其中**CMP-C9-Azido-Sialic Acid（9-叠氮唾液酸胞苷单磷酸）**因其具备叠氮基团（azide group）而成为一类重要的生物正交标记试剂。

二、化学结构与命名

CMP-C9-Azido-Sialic Acid 的化学名称通常为：

Cytidine-5'-monophospho-9-azido-5-N-acetylneuraminic acid

其结构由三部分构成：

Neu5Ac 主体：带有 9 位氮取代的 N-乙酰神经氨酸；

Azide 基团 (-N₃)：位于第九碳原子（C-9），为生物正交反应位点；

CMP（胞苷-5'-单磷酸）连接部分：通过α-1,5 糖苷键连接 Neu5Ac C2 羟基与 CMP。

其分子量约为 662.5 g/mol，常以水溶液或冻干粉形式储存，稳定性良好。

三、合成路线概述

合成CMP-C9-Azido-Sialic Acid通常需经历以下两个关键步骤：

1. 9-Azido-Neu5Ac 的合成

使用天然Neu5Ac为底物，在温和条件下将C9位羟基转化为叠氮基（N₃）；

常采用氯磺酸酯转化法，或通过甲磺酸酯中间体与NaN₃进行亲核取代；

确保α-立体选择性并保留Neu5Ac的结构完整性。

2. CMP 连接反应

将9-Azido-Neu5Ac与胞苷-5'-三磷酸（CTP）在酶（如CMP-sialic acid synthase）或化学催化剂（如CDI）存在下发生缩合，形成CMP-C9-Azido-Neu5Ac；

四、生物正交标记机制

CMP-C9-Azido-Sialic Acid 的大特点是引入了一个高度稳定而不干扰生物体系的叠氮官能团（N₃）。该官能团可参与如下反应：

1. 铜催化叠氮-炔环加成反应（CuAAC）

与含炔基的探针（如Alkyne-Cy5、Alkyne-Biotin）进行共价偶联；

实现细胞表面唾液酸的可视化、拉下分析、免疫共定位等。

2. 应变促进的点击反应（SPAAC）

与DBCO、BCN等应变炔反应，无需铜催化剂，适合活细胞和体内体系；

用于动物模型中的代谢标记及体内成像。

此类生物正交化学反应具有高特异性、高速率、低背景等优势。

五、代谢标记与糖链工程

1. 细胞表面唾液酸的可视化

将CMP-C9-Azido-Sialic Acid以底物形式供给细胞，经由α2,3-或α2,6-唾液酸转移酶催化，掺入细胞糖链的末端。随后与Cy5-alkyne、AF488-alkyne等反应，实现细胞表面糖链可视化成像。

适用于：

癌细胞糖链结构差异识别；

表面糖链动态变化研究；

单细胞糖图谱构建。

2. 糖链调控与糖工程

CMP-C9-Azido-Neu5Ac 可作为“功能化糖核苷酸”，用于调控糖基转移酶活性或竞争抑制天然底物，从而干扰糖链合成，用于研究：

神经元发育与突触糖链变化；

肿瘤糖链异常及其功能；

噬菌体、病毒、体与唾液酸相互作用。

3. 靶向递送与免疫激活

通过将azide糖引入肿瘤细胞膜表面，再与生物正交功能分子（如体-DBCO）结合，实现：

靶向纳米药物递送；

免疫激活（click-to-release）策略；

疫苗原表位修饰。

六、应用实例举例

实验一：细胞表面糖链成像

在HeLa细胞中转染ST6Gal-I表达载体；

添加CMP-C9-Azido-Neu5Ac作为供体；

与AF488-DBCO反应30分钟；

荧光显微镜下观察细胞膜绿色荧光。

实验二：小鼠体内糖链标记

尾静脉注射CMP-C9-Azido-Neu5Ac；

24小时后注射Cy7-DBCO；

IVIS近红外成像显示肝脏、脾脏和肿瘤组织荧光增强；

用于组织特异性糖链表达分析。

七、优势与注意事项

优势：

与天然CMP-Neu5Ac结构相似，可被大多数唾液酸转移酶识别；

Azido 基团小、稳定、不影响糖链空间构象；

适用于活细胞、动物模型；

与多种探针（荧光、磁性、放射性、药物）可化学接枝。

注意事项：

铜催化点击反应可能对细胞有毒性，活体标记建议使用SPAAC；

某些细胞对CMP衍生物摄取效率较低，需辅助转运策略；

储存需低温避光，避免叠氮分解；

使用前需确保无游离Azide探针残留，以避免背景信号。

八、结语与展望

CMP-C9-Azido-Sialic Acid作为一种结构精巧、功能高度可控的唾液酸衍生物，为研究糖链功能、构建糖工程系统及开发新型靶向治疗策略提供了强大工具。随着生物正交技术、代谢标记策略和多模态成像手段的不断发展，CMP-C9-Azido-Neu5Ac将在以下领域展现更大潜力：

糖蛋白质组学与糖链图谱绘制；

CAR-T细胞膜糖修饰；

肿瘤特异性免疫激活；

“Click-enabled” 智能递药平台；

精准糖化疫苗与生物材料开发。

它已成为现代糖生物学不可或缺的试剂之一。

厂家:西安齐岳生物科技有限公司

用途:科研

温馨提醒:仅供科研，不能用于人体实验!