三代點擊化學反應(yīng)及特點和在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用

 
2001 年，Sharpless 教授提出相較于碳-碳鍵 (C-C)，自然界更喜歡碳-雜原子。核酸、蛋白質(zhì)和多糖是由碳-異原子鍵連接在一起的縮聚合物，Sharpless 教授由此得到啟示，提出 “Click Chemistry” 的概念^[2]。點擊化學是通過以碳-雜原子鍵 (C-X-C) 連接為基礎(chǔ)發(fā)生快速、高效地合成有用新分子的化學合成方法。
 
在這之前，化學合成的方式復雜、難度大，但產(chǎn)率低 。直至第一代點擊化學---一價銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng) (CuAAC反應(yīng)) 提出，通過模式化的反應(yīng)方式構(gòu)建功能分子，復雜的反應(yīng)開始簡單化。但銅催化劑的細胞毒性限制了 CuAAC 反應(yīng)的體內(nèi)外應(yīng)用。
 
此后化學家們發(fā)現(xiàn)了菌株促進的炔-疊氮環(huán)加成反應(yīng) (SPAAC)，使疊氮-炔反應(yīng)發(fā)生且不需要細胞毒性銅催化劑。但一些化學家對SPAAC的二階反應(yīng)速率常數(shù)不滿意，逆電子需求 Diels-Alder 反應(yīng) (iEDDA) 應(yīng)運而生。
 

 

生物正交化學是對點擊化學的進一步升華，即利用點擊化學的原理在生物體內(nèi)發(fā)生不干擾自身生化反應(yīng)的化學反應(yīng)，由于其溫和的反應(yīng)條件和高選擇性，在生物醫(yī)藥行業(yè)被廣泛應(yīng)用^[3]。
 
■ 三代點擊化學反應(yīng)及特點：

 

 

點擊化學在生物醫(yī)學研究領(lǐng)域取得了重要進展，特別是無銅點擊化學，包括 SPAAC 和 iEDDA 反應(yīng)。在體外研究中，點擊化學可以對細胞靶蛋白進行特異性標記，并研究活細胞中藥物靶點與藥物替代物的相互作用。此外，細胞膜脂類和蛋白質(zhì)可以在體外選擇性標記，細胞可以通過點擊化學連接在一起。在體內(nèi)研究中，點擊化學使診斷和治療的分子成像和藥物傳遞變得高效和有效^[4]。

 

下面，我們來介紹幾種點擊化學在生物醫(yī)學研究中的具體應(yīng)用。
 
■ 熒光成像

點擊化學最有趣的功能之一是細胞內(nèi)靶蛋白 (TOI) 的熒光成像^[4]。在 iEDDA 反應(yīng)中，活細胞中固有的 TOI 蛋白可以通過 TCO 配體結(jié)合物和含 Tz 的熒光團 (FLTz) 處理而可視化。

 

如將臨床藥物 AZD2281 與 TCO 結(jié)合，開發(fā)了一種生物探針，用于研究 PARP1 蛋白 (已知的 DNA 修復的重要細胞蛋白)。將 TCO 偶聯(lián)到抗癌劑紫杉醇上，并成功地用紫杉醇-TCO/Tz-BODIPY FL 組合可視化了細胞內(nèi)的微管蛋白。之后多配體-TCO 偶聯(lián)物例如 BI2536、Foretinib、Dasatinib 和 Ibrutinib 等也被用來開發(fā)靶向各種 TOI 蛋白，例如 polo 樣激酶 1 (PLK1)、MET、BTK蛋白^[4]。

 

 

■ 靶向藥物遞送

點擊化學已經(jīng)成為生物體研究中藥物靶向遞送的一個強大的化學工具。點擊化學的快速二階反應(yīng)速率常數(shù)，簡單性和正交性可用于聚合物合成或在藥物載體開發(fā)過程中生物配體的位置修飾。例如在 Lee 等人的研究中，第二次將含有光敏劑和 BCN 的納米粒子靜脈注射，與裸納米粒子或未首次注射 Ac4ManNAz 載藥納米粒子相比，SPAAC 在體內(nèi)可有效地將其輸送至腫瘤組織^[4]。

 

圖 4. 應(yīng)用點擊化學的腫瘤靶向藥物遞送^[4]

 

■ ADC 與 PROTAC

目前廣泛應(yīng)用于生物偶聯(lián)的兩種主要類型是 CuAAC 和 SPAAC。目前正在臨床評估中的 ADC 應(yīng)用，例如 STRO-001 和 ADCT-601^[5][6]。

 

 
在對抗體 Fc 段的 N- 連接聚糖進行酶切后，使用 GalNAc 轉(zhuǎn)移酶將末端 GlcNAc 與 6-N3-GalNAc 延長，允許有效載荷 PL1601 的無金屬點擊接合。
 

點擊化學也常常被應(yīng)用到 PROTAC 分子合成中，用于連接兩端的分子。Wurz 等描述了一種用于合成 PROTACs 的 “點擊化學” 方法，并用溴域和 BRD4 配體 JQ-1 和靶向 CRBN 和 VHL 蛋白的連接酶結(jié)合物證明了這種方法的實用性^[7]。

 

■ 診斷分析
點擊化學還可用于開發(fā)分子工具，以了解組織發(fā)育、疾病診斷和治療監(jiān)測。許多癌癥釋放膜結(jié)合的小微泡 (MVs) 進入周圍循環(huán)，對 MVs 的分析如膠質(zhì)母細胞瘤 (GBMs)，是一種有前景的疾病診斷方法。例如Lee等報道了一種結(jié)合 iEDDA 型點擊化學和小型微核磁共振 (μNMR) 的微流體系統(tǒng)，用于分析 GBM 患者血液中的MVs^[4]。
 
 
根據(jù)官能團的不同，可以將常用的點擊化學試劑分為以下幾類：
 

圖 7. 點擊化學試劑類型

■ 產(chǎn)品推薦

 

 

參考文獻

1. Devaraj NK, Finn MG. Introduction: Click Chemistry. Chem. Rev. 2021, 121, 12, 6697–6698. 
2. Kolb HC, Finn MG, Sharpless KB. Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions. Angew Chem Int Ed Engl. 2001 Jun 1;40(11):2004-2021. 
3. Parker CG, Pratt MR. Click Chemistry in Proteomic Investigations. Cell. 2020 Feb 20;180(4):605-632. 
4. Kim E, Koo H. Biomedical applications of copper-free click chemistry: in vitro, in vivo, and ex vivo. Chem Sci. 2019 Aug 16;10(34):7835-7851. 
5. Abrahams CL, Li X, Embry M, Yu A, et al. Targeting CD74 in multiple myeloma with the novel, site-specific antibody-drug conjugate STRO-001. Oncotarget. 2018 Dec 28;9(102):37700-37714.
6. Zammarchi F, Havenith KE, Chivers S, Hogg P, Bertelli F, et al. Preclinical Development of ADCT-601, a Novel Pyrrolobenzodiazepine Dimer-based Antibody-drug Conjugate Targeting AXL-expressing Cancers. Mol Cancer Ther. 2022 Apr 1;21(4):582-593.
7. Wurz RP, Dellamaggiore K, Dou H, Javier N, Lo MC, McCarter JD, Mohl D, Sastri C, Lipford JR, Cee VJ. A "Click Chemistry Platform" for the Rapid Synthesis of Bispecific Molecules for Inducing Protein Degradation. J Med Chem. 2018 Jan 25;61(2):453-461. 
8. Zhang X, Zhang Y. Applications of azide-based bioorthogonal click chemistry in glycobiology. Molecules. 2013 Jun 19;18(6):7145-59. 
9. Stuart A. McNelles, Julia L. Pantaleo, Alex Adronov. Organic Process Research & Development 2019 23 (12), 2740-2745
10. Debets MF, van Berkel SS, Schoffelen S, et al . Aza-dibenzocyclooctynes for fast and efficient enzyme PEGylation via copper-free (3+2) cycloaddition. Chem Commun (Camb). 2010 Jan 7;46(1):97-99.
11. Dommerholt J, van Rooijen O, Borrmann A, et al. Highly accelerated inverse electron-demand cycloaddition of electron-deficient azides with aliphatic cyclooctynes. Nat Commun. 2014 Nov 10;5:5378..
12. van Geel R, Wijdeven MA, Heesbeen R, et al . Chemoenzymatic Conjugation of Toxic Payloads to the Globally Conserved N-Glycan of Native mAbs Provides Homogeneous and Highly Efficacious Antibody-Drug Conj