三代点击化学反应及特点和在生物医学领域的应用

 
2001 年，Sharpless 教授提出相较于碳-碳键 (C-C)，自然界更喜欢碳-杂原子。核酸、蛋白质和多糖是由碳-异原子键连接在一起的缩聚合物，Sharpless 教授由此得到启示，提出 “Click Chemistry” 的概念^[2]。点击化学是通过以碳-杂原子键 (C-X-C) 连接为基础发生快速、高效地合成有用新分子的化学合成方法。
 
在这之前，化学合成的方式复杂、难度大，但产率低 。直至第一代点击化学---一价铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应 (CuAAC反应) 提出，通过模式化的反应方式构建功能分子，复杂的反应开始简单化。但铜催化剂的细胞毒性限制了 CuAAC 反应的体内外应用。
 
此后化学家们发现了菌株促进的炔-叠氮环加成反应 (SPAAC)，使叠氮-炔反应发生且不需要细胞毒性铜催化剂。但一些化学家对SPAAC的二阶反应速率常数不满意，逆电子需求 Diels-Alder 反应 (iEDDA) 应运而生。
 

 

生物正交化学是对点击化学的进一步升华，即利用点击化学的原理在生物体内发生不干扰自身生化反应的化学反应，由于其温和的反应条件和高选择性，在生物医药行业被广泛应用^[3]。
 
■ 三代点击化学反应及特点：

 

 

点击化学在生物医学研究领域取得了重要进展，特别是无铜点击化学，包括 SPAAC 和 iEDDA 反应。在体外研究中，点击化学可以对细胞靶蛋白进行特异性标记，并研究活细胞中药物靶点与药物替代物的相互作用。此外，细胞膜脂类和蛋白质可以在体外选择性标记，细胞可以通过点击化学连接在一起。在体内研究中，点击化学使诊断和治疗的分子成像和药物传递变得高效和有效^[4]。

 

下面，我们来介绍几种点击化学在生物医学研究中的具体应用。
 
■ 荧光成像

点击化学最有趣的功能之一是细胞内靶蛋白 (TOI) 的荧光成像^[4]。在 iEDDA 反应中，活细胞中固有的 TOI 蛋白可以通过 TCO 配体结合物和含 Tz 的荧光团 (FLTz) 处理而可视化。

 

如将临床药物 AZD2281 与 TCO 结合，开发了一种生物探针，用于研究 PARP1 蛋白 (已知的 DNA 修复的重要细胞蛋白)。将 TCO 偶联到抗癌剂紫杉醇上，并成功地用紫杉醇-TCO/Tz-BODIPY FL 组合可视化了细胞内的微管蛋白。之后多配体-TCO 偶联物例如 BI2536、Foretinib、Dasatinib 和 Ibrutinib 等也被用来开发靶向各种 TOI 蛋白，例如 polo 样激酶 1 (PLK1)、MET、BTK蛋白^[4]。

 

 

■ 靶向药物递送

点击化学已经成为生物体研究中药物靶向递送的一个强大的化学工具。点击化学的快速二阶反应速率常数，简单性和正交性可用于聚合物合成或在药物载体开发过程中生物配体的位置修饰。例如在 Lee 等人的研究中，第二次将含有光敏剂和 BCN 的纳米粒子静脉注射，与裸纳米粒子或未首次注射 Ac4ManNAz 载药纳米粒子相比，SPAAC 在体内可有效地将其输送至肿瘤组织^[4]。

 

图 4. 应用点击化学的肿瘤靶向药物递送^[4]

 

■ ADC 与 PROTAC

目前广泛应用于生物偶联的两种主要类型是 CuAAC 和 SPAAC。目前正在临床评估中的 ADC 应用，例如 STRO-001 和 ADCT-601^[5][6]。

 

 
在对抗体 Fc 段的 N- 连接聚糖进行酶切后，使用 GalNAc 转移酶将末端 GlcNAc 与 6-N3-GalNAc 延长，允许有效载荷 PL1601 的无金属点击接合。
 

点击化学也常常被应用到 PROTAC 分子合成中，用于连接两端的分子。Wurz 等描述了一种用于合成 PROTACs 的 “点击化学” 方法，并用溴域和 BRD4 配体 JQ-1 和靶向 CRBN 和 VHL 蛋白的连接酶结合物证明了这种方法的实用性^[7]。

 

■ 诊断分析
点击化学还可用于开发分子工具，以了解组织发育、疾病诊断和治疗监测。许多癌症释放膜结合的小微泡 (MVs) 进入周围循环，对 MVs 的分析如胶质母细胞瘤 (GBMs)，是一种有前景的疾病诊断方法。例如Lee等报道了一种结合 iEDDA 型点击化学和小型微核磁共振 (μNMR) 的微流体系统，用于分析 GBM 患者血液中的MVs^[4]。
 
 
根据官能团的不同，可以将常用的点击化学试剂分为以下几类：
 

图 7. 点击化学试剂类型

■ 产品推荐

 

 

参考文献

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