糖科學，是生命科學領域最後的一片「處女地」。糖科學領域的進展與突破，有望引領全球生物醫藥研究的範式變革。
近年來，美、歐、日等已開發國家和地區正在加緊強化該領域的頂層設計和布局，相繼啟動了一系列大型研究計劃。
糖研究領域在國內同樣受到重視，並已擁有較為完整的研究體系、技術積累和人才儲備，基本與國外處於同一起跑線水平，在個別領域甚至處於世界領先位置。北京大學教授葉新山，便是糖研究領域的重要一員。
圖 | 葉新山（來源：葉新山）
此前，三七多糖的合成還停留在 5 糖水平，而在最近他和團隊將上述紀錄從 5 糖推進至 140 糖的水平，讓中藥來源的天然植物多糖分子合成迎來了新的里程碑，也是迄今為止最大、最複雜的人工合成植物多糖。
假如把多糖的合成比作建高樓，一個糖單元代表一層樓，那麼一幢高達 140 層的摩天大樓的建造，它的難度顯然是不言而喻的。
另一方面，本次工作對於發現抗癌新化合物也有著重要意義。通過合成完整多糖、及其片段，並結合生物活性的評價，課題組對多糖的結構與生物活性之間的關係進行了探索。
憑藉此，他們鑑定了可能的多糖核心結構域，發現了一個具有抗胰腺癌活性的 10 糖化合物，它對於三種胰腺癌細胞都能起到顯著抑制活性的作用，因此有望進一步開發成為抗胰腺癌藥物，從而為糖類藥物研究開拓新的空間。
而且，這種 10 糖化合物的細胞毒性，要遠遠小於目前治療胰腺癌的一線藥物吉西他濱。因此，這個化合物很有希望對抗胰腺癌的苗頭。
目前，課題組已經申請相關專利進行保護。他們希望通過進一步的開發，再經過臨床前和臨床上的進一步試驗，最終造出一款抗胰腺癌新藥。
（來源：Nature Synthesis）
複雜多糖合成迎來里程碑
據介紹，多糖通常與蛋白質、核酸一起被看作是維持生命系統基本活動的三類生物大分子之一，在生命過程中扮演著重要角色。
與核酸和蛋白質的研究相比，多糖的研究發展比較緩慢，主要原因是因為多糖的合成不是由基因直接編碼，它沒有固定可循的合成模板，所以它無法像核酸及蛋白質那樣可以被高效快速地製備。
截至目前，多糖主要從動物、植物、微生物中分離提取而來。但是，從分子水平上來看，這些天然來源的多糖往往是混合物，不是結構明確的單一化合物，存在結構不均一的缺點。
這樣一來，就沒有辦法在分子水平上理解多糖發揮生物學功能的機制。因此，通過合成手段獲得結構明確的多糖化合物，是研究多糖結構和功能關係的首要前提。
三七作為一種傳統中藥材，具有多種藥用價值。中藥多糖的研究也是具有中國特色的一項科研工作。
此前，中國科學院上海藥物所團隊曾從三七中分離出一種多糖成分，並將它命名為 RN1，後在小鼠實驗模型上證明它具有顯著的抗胰腺癌活性。
但是，三七多糖 RN1 的含量有限、分離純化過程繁瑣、提取效率也比較低下，很難通過此前的提取方式，來獲得結構明確且均一的三七多糖 RN1。
幾年前，葉新山團隊曾發展出一種一釜寡糖合成策略，該策略的全稱叫做「糖基供體預活化」。
其表示：「我認為有可能通過這種糖合成策略，高效地製備三七多糖 RN1，從而較好地解決三七多糖的獲得性難題。」
原因在於：RN1 分子具有高度分枝化的結構，它由 140 個單糖單元組成，包含 28 條支鏈，分子尺寸龐大。因此，要想實現 RN1 分子的化學全合成，將面臨著極大的挑戰。
因此在本次研究之中，葉新山課題組從市售的 L-阿拉伯糖和 D-半乳糖這兩種單糖出發，製備了多個阿拉伯糖和半乳糖硫苷單糖和二糖砌塊。
隨後，他們充分利用基於糖基供體預活化的一釜合成策略，通過對糖基化反應活化劑種類、反應溶劑、反應溫度、時間等因素進行篩選，成功實現了 5 糖、10 糖、30 糖、40 糖、100 糖、140 糖骨架的一釜多組分高效組裝，最終在脫除所有保護基之後，實現了三七多糖 RN1 分子的全合成。
除了實現完整分子的全合成之外，他們還構建了 RN1 分子的片段化合物庫，其中包括三種 5 糖、兩種 10 糖、30 糖、40 糖、70 糖共計八個聚糖分子。
針對合成糖庫中的所有分子、以及所合成的 RN1 完整分子，他們進行了抗胰腺癌活性評價，結果發現其中一種 10 糖對於胰腺癌細胞株（Aspc-1、Bxpc-3 和 Panc-1），有著較為顯著的增殖抑制作用，其抑制效果可以與目前臨床上常用的抗胰腺癌化療藥物吉西他濱相比擬。
鑒於 Panc-1 細胞對吉西他濱存在耐受性，但是對本次合成的 10 糖化合物較為敏感，因此他們進一步探究 10 糖化合物針對 Panc-1 細胞發揮作用的機制。
體外機制探索實驗結果顯示：10 糖化合物通過阻滯 Panc-1 細胞周期，使其停滯於 S 期，從而促進了胰腺癌細胞的凋亡。
總的來說，本次工作在複雜多糖合成上具有重要意義。之前，人們雖然也知道多糖很重要，但苦於得不到結構均一的多糖物質。
因此，對於三七多糖 RN1 的成功合成來說，它充分彰顯了基於糖基供體預活化的一釜糖基化反應策略在多糖合成上的優越性。
（來源：Nature Synthesis）
力爭為中藥多糖現代化研究開闢路徑
合成 RN1 的完整分子和重要片段，並對其構效關係加以研究，是一件「開先河」的難事。
這是因為，在幾年前幾乎沒有關於合成複雜多糖的工作。在這一細分領域內，僅有葉新山課題組在 2017 年發表的一篇論文。
在那篇論文之中，他們合成了結核分枝桿菌細胞壁阿拉伯半乳聚糖 92 糖。
以此作為參考，他們決定開展本次新課題。2018 年 12 月，課題正式啟動，由當時的一年級直博生秦賢進具體負責。
首先，他們需要實現單糖砌塊的較大規模製備。這就需要設計併合成一系列單糖砌塊，因為後續糖苷鍵的構建都是以這些單糖砌塊作為基本原料，所以單糖砌塊的量需求較大。
其中有多個單糖砌塊的量在百克左右。另外，大概有 10 個左右的單糖砌塊，平均每個單糖砌塊的合成約需 6-9 步反應。
然後，他們開始製備寡糖砌塊、以及合成兩種 10 糖重複片段。在單糖砌塊製備完成之後，課題組開始著手寡糖砌塊的合成。
在多糖合成過程中，他們儘量將難度大、收率較低的糖苷鍵的構建，在寡糖砌塊水平上完成。
在大約一年的時間中，他們完成了從單糖砌塊、到寡糖砌塊的製備、再到兩種 10 糖片段的一釜高效組裝。
接著，他們開始進行糖大片段的拼接。多糖片段的偶聯、以及大片段的拼接，是整個課題中難度最大的部分。
多糖合成之所以難，主要在於隨著分子尺寸的增大，片段之間的偶聯效率會顯著降低。如果連續兩步糖基化偶聯的效率都低於 50%，也就意味著本次課題無法繼續推進。
於是，他們花費大量時間進行偶聯反應條件的篩選，依次完成了 30 糖、40 糖、100 糖以及 140 糖的高效合成。
此外，多糖的分離純化及結構表征，是另一塊「難啃的骨頭」。期間，他們通過不斷優化分離方法、以及優化各種檢測分析表征手段，實現了大片段多糖的合成和結構表征。
接著，他們開始構建三七多糖片段的化合物庫。為了探索相關的構效關係，除了合成三七多糖 RN1 的完整分子之外，還需要構建三七多糖片段化合物庫。
這其中包含八個聚糖片段，為了實現高效的組裝，課題組採用了基於糖基供體預活化的策略。
最後，針對所合成的九個聚糖化合物，他們開展了生物活性評價。主要評價所合成的三七多糖對於三種胰腺癌細胞系的增值抑制活性，通過此他們發現了先導寡糖結構，並證實這一結構具有抗胰腺癌活性。
最終，相關論文以《中藥三七中高度分枝的阿拉伯半乳聚糖多達 140 糖的合成及其抗胰腺癌活性》（Synthesis of branched arabinogalactans up to a 140-mer from Panax notoginseng and their anti-pancreatic-cancer activity）為題發在 Nature Synthesis[1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature Synthesis）
北京大學直博生秦賢進是第一作者，葉新山擔任通訊作者。
圖 | 秦賢進（來源：北京大學新聞網）
通過該團隊已經發表的論文，他們構建了三七多糖片段化合物庫，但是庫中的化合物數目比較有限。
儘管發現了一個活性良好的 10 糖化合物，但是是否存在活性更好的寡糖片段？
對於這一問題，他們會繼續豐富三七多糖片段化合物庫，以便查看能否發現活性更佳的寡糖。
假如可以獲得高活性分子，他們將針對動物模型的體內活性進行評價。如果活性不錯課題組將深入研究發揮抗胰腺癌作用的機制，並將與藥企合作研發創新藥物。
最終，希望這一系列圍繞三七多糖的成果，能夠催生新的抗癌藥物，從而為中藥多糖的現代化研究開闢路徑。
「神秘的糖密碼終將被解析」
另據悉，葉新山曾獲得張天民糖類藥物突出貢獻獎。對此，他表示：「我們團隊一直在糖化學、糖類藥物和糖化學生物學領域開展研究。為了解決制約糖科學和糖類藥物發展的瓶頸問題——糖類化合物的獲得性問題，我們發展了基於糖基供體預活化的一釜寡糖合成策略。」
後來，這一策略被全球糖化學界視為寡糖化學合成的重要策略，並得到廣泛的應用。
以此為核心，課題組發展了一系列糖基化反應的新方法和新試劑，完成了由 92 個單糖單元組成的結核分枝桿菌細胞壁阿拉伯半乳聚糖的首次全合成，在糖合成領域具有里程碑式意義，並被《化學與工程新聞》評為「2017 年度分子」。
在此基礎之上，2022 年該團隊進一步研製了全球首台新型雙模式液相糖自動合成儀原型機，構建了糖類化合物的自動合成平台，合成的多糖尺寸達到 1080 糖，創造了新的世界紀錄，為糖類藥物的研究提供了技術支撐。
此外，他們在糖類化合物的成藥性研究上也取得重要進展，即發現了一系列結構新穎的糖類藥物先導結構、以及疫苗候選物。
「因此，獲得張天民糖類藥物突出貢獻獎，是國內同行對我們工作的認可，更是對我們團隊的鼓勵。」葉新山表示。
同時他說道：「我相信在糖科學家共同不懈的努力下，制約糖科學和糖類藥物發展的技術瓶頸終將被克服，神秘的糖密碼終將被解析，我們一定會迎來糖科學大發展的明天。」
參考資料：
1.Qin, X., Xu, C., Liu, M.et al. Synthesis of branched arabinogalactans up to a 140-mer from Panax notoginseng and their anti-pancreatic-cancer activity. Nat. Synth (2023). https://doi.org/10.1038/s44160-023-00428-x
排版：羅以