什么是點擊化學(xué)和生物正交化學(xué)？

點擊化學(xué)：一種基于雜原子連接（CXC）快速有效合成有用新分子的化學(xué)合成方法。 [1]

生物正交化學(xué)：利用點擊化學(xué)原理在生命系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，而不干擾天然生化過程。

2001年，對自然界最喜歡的分子的研究表明，與碳-碳鍵相比，分子更傾向于形成碳-雜原子鍵。 “點擊化學(xué)"概念的靈感來自于核酸、蛋白質(zhì)和多糖是通過碳-雜原子鍵結(jié)合在一起的縮合聚合物。點擊化學(xué)是一種化學(xué)合成方法，可以快速有效地合成基于碳雜原子連接 (CXC) 的有用新分子。

在此之前，化學(xué)合成復(fù)雜、困難，但收率低。直到第一代點擊化學(xué)，一價銅催化的疊氮化物-炔環(huán)加成（CuAAC）反應(yīng)被提出，復(fù)雜的反應(yīng)開始通過以圖案化反應(yīng)方式構(gòu)建功能分子來簡化。然而，銅催化劑的細(xì)胞毒性限制了CuAAC反應(yīng)在體外和體內(nèi)的應(yīng)用。

此后，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種應(yīng)變促進(jìn)的炔烴-疊氮化物環(huán)加成（SPAAC）反應(yīng)，該反應(yīng)無需細(xì)胞毒性銅催化劑即可發(fā)生疊氮化物-炔烴反應(yīng)。該反應(yīng)已用于在體外和體內(nèi)標(biāo)記細(xì)胞表面的糖蛋白，沒有明顯的細(xì)胞毒性。

然而，一些化學(xué)家對SPAAC的二級反應(yīng)速率常數(shù)并不滿意。因此，布萊克曼等人。開發(fā)了s-四嗪和反式環(huán)辛烯 (TCO) 衍生物的環(huán)加成反應(yīng)之間的逆電子需求狄爾斯-阿爾德 (iEDDA) 反應(yīng)，可產(chǎn)生比 SPAAC 反應(yīng)更快的無銅點擊化學(xué)反應(yīng)。

圖2. 目前使用的點擊化學(xué)反應(yīng)的特點，來源：參考文獻(xiàn)[3]

點擊化學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

點擊化學(xué)在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，特別是無銅點擊化學(xué)，包括 SPAAC 和 iEDDA 反應(yīng)。在體外研究中，點擊化學(xué)可以對細(xì)胞靶蛋白進(jìn)行特異性標(biāo)記，并研究藥物靶標(biāo)與活細(xì)胞中藥物替代物的相互作用。此外，細(xì)胞膜脂質(zhì)和蛋白質(zhì)可以在體外選擇性標(biāo)記，并且細(xì)胞可以通過點擊化學(xué)連接在一起。在體內(nèi)研究中，點擊化學(xué)使分子成像和藥物輸送能夠高效且有效地進(jìn)行診斷和治療。 [3]

接下來，我們介紹點擊化學(xué)在生物醫(yī)學(xué)研究中的幾個具體應(yīng)用。

用于熒光成像的點擊化學(xué)

無銅點擊化學(xué)最有趣的應(yīng)用之一可能是細(xì)胞內(nèi)感興趣的目標(biāo) (TOI) 蛋白質(zhì)的熒光成像。 [3]特別是在 iEDDA 反應(yīng)中，可以使用 TCO-配體綴合物以及隨后含有 Tz 的熒光團(tuán) (FLTz) 的處理成功地觀察活細(xì)胞中的先天 TOI 蛋白。

例如，臨床藥物AZD2281與TCO結(jié)合開發(fā)了用于研究PARP1蛋白（已知是DNA修復(fù)的重要細(xì)胞蛋白）的生物探針。 TCO 與抗癌劑紫杉醇偶聯(lián)，并使用紫杉醇-TCO/Tz-BODIPY FL 組合成功地實現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)微管蛋白的可視化。后來的多配體-TCO 綴合物，如 BI2536、Foretinib、Dasatinib 和 Ibrutinib，也被用于開發(fā)靶向各種 TOI 蛋白，如 Polo 樣激酶 1 (PLK1)、MET 和 BTK 蛋白。 [3]

圖 3. MDA-MB436 細(xì)胞中 AZD2281-TCO 和 Texas Red-Tz 之間的無銅點擊反應(yīng)。來源：參考文獻(xiàn)[3]

靶向藥物輸送中的點擊化學(xué)

點擊化學(xué)已成為生物體研究中藥物靶向遞送的強大化學(xué)工具。點擊化學(xué)的快速二階反應(yīng)速率常數(shù)、簡單性和正交性可用于聚合物合成或藥物載體開發(fā)過程中生物配體的位點特異性修飾。例如，2012 年，Koo 和 Lee 等人。提供證據(jù)表明體內(nèi)點擊化學(xué)可用于納米顆粒遞送。在該研究中，將負(fù)載 Ac4ManNAz 的納米粒子對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行疊氮基標(biāo)記，并使用含有光敏劑的 DBCO 修飾納米粒子進(jìn)行二次腫瘤靶向，依次注射到小鼠體內(nèi)，疊氮基和 DBCO 之間的 SPAAC 增強了腫瘤靶向性。 [3]

圖 4. 點擊化學(xué)在腫瘤靶向藥物遞送中的應(yīng)用。來源：參考文獻(xiàn)[3]

基于點擊化學(xué)的 ADC 合成

Cu(I) 催化的炔烴疊氮環(huán)加成反應(yīng) (CuAAC) 在抗體藥物偶聯(lián)物 (ADC) 的合成中具有巨大潛力[4]。研究人員現(xiàn)已設(shè)計出高效且經(jīng)濟(jì)高效的基于 CuAAC 的 ADC 偶聯(lián)方法，并證明可以快速合成 ADC，從而促進(jìn)了 GlycoConnect 偶聯(lián)技術(shù)的發(fā)展。 GlycoConnect 使用天然糖基化位點實現(xiàn)靶向綴合，并且可以在短短幾天內(nèi)將單克隆抗體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的綴合 ADC。該技術(shù)基于兩個過程：首先是酶促重塑（用疊氮化物進(jìn)行修飾和標(biāo)記），然后是基于無銅點擊化學(xué)的有效負(fù)載連接。 Synaffix 已與多家公司合作開發(fā)其下一代 ADC 技術(shù)平臺，其中包括 GlycoConnect。

圖 5. 根據(jù)許可協(xié)議開發(fā)的下一代 ADC

ADC Therapeutics 是較早獲得 Synaffix ADC 平臺技術(shù)授權(quán)的公司，也是目前使用該技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品數(shù)量最多的代表，其中ADCT-601已處于臨床研究階段。 [5] 目前，ADC Therapeutics 在實體瘤領(lǐng)域的公開產(chǎn)品 (3/5) 正在使用 Synaffix 的 ADC 技術(shù)。

圖 6. ADC 治療產(chǎn)品線

圖 7. ADCT-601 的結(jié)構(gòu)

基于點擊化學(xué)的PROTAC合成

由于反應(yīng)條件較溫和且效率較高，點擊化學(xué)常用于PROTAC分子的連接體中以連接分子的兩端。瑞安·P·伍爾茲 (Ryan P Wurz) 等人展示了這種方法與溴結(jié)構(gòu)域和末端結(jié)構(gòu)域 4 (BRD4) 配體 JQ-1 (3) 以及針對 cereblon (CRBN) 和 Von Hippel–Lindau (VHL) 蛋白的連接酶結(jié)合劑的實用性 [6]。

圖8.基于Click Chemistry的PROTAC合成，來源：參考文獻(xiàn)[6]

基于點擊化學(xué)的診斷

點擊化學(xué)還可用于開發(fā)用于了解組織發(fā)育、疾病診斷和治療監(jiān)測的分子工具。許多癌癥將膜結(jié)合微泡 (MV) 釋放到外周循環(huán)中，對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤 (GBM) 等 MV 進(jìn)行分析是一種很有前景的疾病診斷方法。例如，李等人。報道了一種結(jié)合 iEDDA 型點擊化學(xué)和小型微核磁共振 (μNMR) 的微流體系統(tǒng)，用于分析 GBM 患者血液中的 MV [4]。

圖 9. 單擊“基于化學(xué)的診斷"。來源：參考文獻(xiàn)[3]

概括

點擊化學(xué)和非銅生物正交反應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。點擊化學(xué)可以對細(xì)胞靶蛋白進(jìn)行特異性標(biāo)記，并可用于將細(xì)胞粘附在一起，還可以實現(xiàn)高效且有效的分子成像和藥物遞送，以用于診斷和治療目的。點擊化學(xué)還可用于開發(fā)DNA納米催化劑、基因組DNA化學(xué)合成、輔助CRISPR-Cas基因編輯、ADC和PROTAC合成等分子工具。總體而言，點擊化學(xué)已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要工具。有機(jī)化學(xué)。

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