生物正交反应的点击化学：应用与挑战

生物正交反应的点击化学：应用与挑战

【介绍】

生物正交反应是指在不干扰生物体本身生化反应的情况下，在活细胞或组织中进行的化学反应。其中，点击化学作为一种生物正交反应，由于其选择性高、反应效率高，在化学和生物领域都有很好的适应性。最常见、最经典的点击反应是铜催化叠氮化物-炔烃环加成（CuAAC）反应。目前，CuAAC反应及其衍生反应已成功应用于蛋白质、糖、脂质和核酸的体外标记以及药物的合成。然而，目前报道的通过点击化学合成药物的方法大多需要两步反应，该策略的活性药物需要在体外​​预先合成，然后递送至生物体，因此合成的活性药物分子的毒性、递送和定位是亟待解决的问题。更重要的是，对于生物体来说，错位的生物分子不仅会引发严重的疾病，错位的药物还会产生严重的副作用。 同时，活性药物在活细胞的不同部位可能具有完全不同的性质，因此在相应的药物靶点进行药物的局部合成是一种非常有吸引力的给药方式，可以最大程度地发挥等量药物的功效并减少副作用。虽然通过CuAAC反应可以得到理想的化合物或药物，但是具体的CuAAC反应在活细胞内定位药物合成的位置还处于研究的早期阶段。同时，CuAAC反应中的铜离子会产生活性氧，对活细胞有严重的毒性。此外，均相有机铜配体催化剂在水溶性、稳定性和生物相容性方面也存在一定的问题。同时，目前用于CuAAC反应的非均相催化剂很少能满足亚细胞器内催化药物合成的要求。

近日，中国科学院长春应用化学研究所曲小刚研究员团队（通讯作者）报道了一种构建在金属有机骨架上的非均相铜催化剂。该铜催化剂可以优先在活细胞线粒体中聚集，具有较高的催化活性，这一点作者通过体内肿瘤治疗实验得到了证实。同时，该系统还能通过线粒体中的位点进行特异性的CuAAC反应，实现局部药物合成，可广泛应用于合成多种药物，且生物相容性良好。更重要的是，由于局部药物合成是在亚细胞位置进行的，很好地避免了毒性分子的传递和分布。同时，作者通过体内肿瘤治疗实验发现，局部合成的白藜芦醇衍生物表现出了更好的抗肿瘤功效，并且显著降低了药物的副作用。这对于减少药物传递和分布过程中产生的各种副作用至关重要。研究成果发表在国际知名期刊Angew. Chem. Int.上。 编辑标题为“MOF-Cu 用于体内药物研究”。

图1. 线粒体靶向CuAAC反应催化剂的构建及亚细胞器内原位药物合成

（a）研究中使用的Zr金属有机骨架（MOF）、Cu结合MOF材料（MOF-Cu）和TPP改性催化剂（MOF-Cu-TPP）。

（b）MOF-Cu-TPP 催化的线粒体原位药物合成的细胞内生物正交反应。

图2 MOF-Cu纳米催化剂体外催化实验及检测

（a）MOF-Cu催化香豆素叠氮化物与苯乙炔发生1,3-偶极环加成反应生成香豆素荧光分子的示意图；

（b）不含（黑线）和含（红线）MOF-Cu催化剂的点击反应荧光光谱以及相应的实验荧光照片（插图）；

（c）在没有催化剂的情况下，不同反应时间（0-120分钟）的荧光光谱的变化。

（d）与MOF-Cu催化剂在不同反应时间（0-120分钟）下荧光光谱的变化。

图3. 铜催化剂催化的活细胞内点击反应

（a）活细胞中MOF-Cu催化香豆素叠氮化物与苯乙炔点击反应示意图；

（b）流式细胞术分析荧光变化，对照（单细胞）、单细胞 MOF-Cu、前体 1（2）和前体 MOF-Cu

（c）未经（AC）和经（DF）MOF-Cu催化剂处理的MCF-7细胞的荧光图像。

图4. 制备的靶向铜催化剂在线粒体中原位合成白藜芦醇衍生物

（a）白藜芦醇衍生物在线粒体原位合成示意图；

（b）化合物4和5在MCF-7细胞中低浓度的毒性实验；

（c）MOF-Cu-TPP催化剂原位合成的化合物6与药物分子单体的毒性比较；

(d)采用DCFH-DA探针流式细胞术分析反应过程中细胞内氧化应激的积累。

（e）流式细胞术分析V-FITC和碘化丙啶双染对MCF-7细胞凋亡的影响。

图 5. C. 模型中的点击反应

（a）所设计的点击反应在秀丽隐杆线虫中由催化剂催化的示意图。

（b）有或无催化剂的N2野生型菌株线虫的生存分析曲线；

（c）秀丽隐杆线虫中产生的荧光分子的蓝色荧光图像。

【概括】

综上所述，作者首次成功构建了线粒体靶向的多相催化剂，并展示了其在肿瘤治疗中的应用效果。设计的催化剂具有较高的催化活性、稳定性，可重复使用。该催化剂可以激活原荧光团，在线粒体中进行局部药物合成。在亚细胞器中由惰性前体药物原位合成活性药物具有最小化药物毒性和最大化治疗效果的优势。同时，利用秀丽隐杆线虫进行的体内实验证明了设计的催化剂具有良好的生物相容性，局部合成的白藜芦醇衍生物具有良好的抗肿瘤效果。该工作为减少药物递送和分布过程中发生的多种副作用提供了一种新的策略。

参考文献：MOF-Cu 用于体内药物 (Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/anie.)

本文由材料人CQR翻译并编辑。