英文原题：Unleashing the Power of Bond Cleavage Chemistry in Living Systems
通讯作者：樊新元，陈鹏，北京大学
作者：王杰，汪欣，樊新元，陈鹏
生物正交反应是指能够在活体环境下进行且不与生命过程相互干扰的化学反应，这类特殊的反应为原位研究复杂的生命系统提供了强大的化学工具1。最初的生物正交反应主要以化学键生成的连接反应为主。如C. Bertozzi教授(ACS Cent. Sci.主编)首次利用Staudinger连接反应实现了活细胞表面糖的标记，开启了生物正交连接反应的迅速发展。近年来, 随着生命科学研究的发展和需求，基于化学键断裂的生物正交剪切反应（bioorthogonal cleavage reaction, BCR）迅速发展起来, 并在药物可控激活、生物大分子功能调控等方面展现出了巨大的应用潜力。
近日，北京大学陈鹏-樊新元团队应邀在ACS Central Science最新一期上发表了题为"Unleashing the Power of Bond Cleavage Chemistry in Living Systems"的Outlook封面文章，对活体系统中生物正交剪切反应的发展态势和未来趋势进行了系统总结与展望2。
图1. 生物正交剪切反应的开发与应用北京大学陈鹏课题组在国际上最早提出了“生物正交剪切反应”这一概念3，并一直致力于这类新型生物正交反应在活体系统中的开发与应用。与生物正交连接反应在生物分子的“标记”、“捕捉”和“示踪”等方面的应用相比，生物正交剪切反应利用断键过程，实现了靶标分子中活性单元的时-空可控“解锁”（图1），为目标分子在活细胞和活体环境下的“释放”、“激活”与“操控”提供了可能。近年来，随着反应种类的不断增加和生物相容性的和提升，其应用领域也获得了极大的拓展，已成为国际上生物正交化学领域的前沿主流之一。
图2. 生物正交剪切反应总结
首先，该文对生物正交剪切反应进行了全面的梳理和总结。相对于光介导的剪切反应，化学分子介导的生物正交剪切反应在多样性、可调节性和组织穿透性等方面更具优势。图2总结了具有代表性的生物正交剪切反应。按照触发反应的化学分子类型，可分为：过渡金属介导的断键反应（1-11），化学小分子介导的断键反应（12-31）。过渡金属介导的生物正交剪切反应是相对较早被广泛研究的一类剪切反应。一方面，得益于金属种类、配体选择的多样性，过渡金属（Pd、Ru、Cu、Pt、Au）催化的反应具有较强的可调节性。同时，催化性质的反应具有实现对活性分子持续释放的潜力。而另一方面，过渡金属介导的反应容易受到活体环境中各类分子的干扰。因此，如何将简单体系中开发的反应拓展到复杂的生命体系中仍然有待深入探讨。以四嗪（Tz）与反式环辛烯（TCO）的逆电子需求的D-A反应（IDA反应）为代表的环加成介导的断键反应速率快，生物相容性好，是目前最受关注的一类断键反应，被广泛应用于前体药物以及蛋白质等生物大分子的原位激活。
图3. 基于生物正交剪切反应的前体药物
生物正交剪切反应的重要应用之一就是前药的可控激活，以实现药物在病灶部位的可控释放。高效能的细胞杀伤药物（如化疗药物）在肿瘤治疗中应用广泛，但是也存在毒副作用强、治疗窗窄的问题。利用化学反应选择性的在病灶部位释放活性小分子药物，既可以极大地降低药物的毒副作用，同时在药代动力学和药物吸收利用方面也存在优势。到目前为止, 基于图2中所示的生物正交剪切反应，一系列可激活的前药被发展出来，并用于doxorubicin，etoposide，MMAE，gemcitabine，camptothecin，duocarmycin类似物等抗癌药物的可控释放。值得一提的是，反式环辛烯保护的阿雷霉素的前体药物可被四嗪特异性可控激活（SQP33），目前正在进行二期临床实验，展示了生物正交剪切反应在临床应用反应的巨大潜力。
图4. 基于生物正交剪切反应的功能蛋白原位调控
除了小分子药物之外，生物正交剪切反应的另一重要应用是对蛋白质等生物大分子功能的原位调控。蛋白质是绝大多数生物功能的执行者,在复杂生命环境中实现原位调控目标蛋白是解析生命过程的重要方法。陈鹏课题组在2014年提出了“化学脱笼”策略4, 5，可通过对蛋白质关键残基的化学保护和脱保护反应，实现其活性的“关－开”调控。图4中展示了目前用于蛋白质激活的生物正交剪切反应及应用场景。可以看出，其反应类型多样，适用范围广阔，可以用于包括磷酸酶、激酶、荧光素酶、DNA聚合酶，荧光蛋白、金属蛋白酶、抗体等各类蛋白质的功能调控。尤其值得指出的是，陈鹏课题组与王初课题组合作提出了适用于任意蛋白质活性调控的“邻近脱笼”策略，该方法将可遗传编码的非天然氨基酸脱笼技术与计算机辅助设计筛选技术相结合，为在活细胞及活体动物内研究蛋白质的动态调控机制提供了一种普适性平台6。
图5. 基于生物正交剪切反应的生物大分子偶联物可控释放
生物正交剪切反应除了可用于活性小分子和蛋白质的激活之外，还可以用于生物大分子偶联物的可控释放。用于“可控释放”的断键反应，通常要求“保护基”具有额外的连接臂，用来偶联生物大分子和活性小分子。如图5所示，活性小分子（通常是药物）与生物大分子（通常是抗体类蛋白）通过高反应活性的连接子偶联在一起，利用抗体类蛋白的靶向性优势将活性小分子载带至目标位置，随后在小分子试剂的作用下，发生断裂并可控释放活性小分子。这一策略在多种抗体药物偶联物（ADC）上得到了应用，提高了药效，拓宽了ADC药物的治疗窗口。综上所述，生物正交化学的发展使得研究者能够在活细胞和动物体内原位操纵目标分子的功能。生物正交连接反应仍然在不断的涌现出令人兴奋的进展，例如，逆电子需求的D-A反应已经可以对活体神经元进行原位标记，并实现神经膜电位信号的实时观测7，多个相互正交的化学反应可以在生物体内同时进行平行标记与成像8。而生物正交剪切反应的涌现，更是扩展了生物正交化学的科学内涵。可以预见，随着化学与生命科学、医学的深度交叉融合，更加高效快速和生物相容的新型断键反应将会被不断开发出来，并用于解决生命健康领域的重要科学问题。在文章的最后，作者对该领域的未来发展趋势做出了展望。1.反应类型和应用场景的拓展。尽管生物正交剪切反应发展迅速，但目前仍未能满足生物学研究的需求。由于生物分子中的官能团种类繁多，用于释放不同化学基团的断键反应是最急迫发展的方向之一。尤其是要跳出从传统的脱保护化学反应中衍生和开发生物正交剪切反应的思维定势，从源头开始，面向生物学应用场景和分子机制，开发全新的生物正交剪切反应。对于新的生物相容化学的发展来讲，研究者通常在生物正交性和反应性之间要进行取舍和权衡。而新理念的引入将为生物正交剪切化学注入新的活力，例如新型剪切手段的开发可包括物理方法（例如超声或磁场等远程控制的断键反应）、生物正交酶促反应、以及生物系统亚微环境触发的断键反应等。2.开发具有临床应用潜力的活体化学反应。生物正交断键介导的前药激活策略已成为一种激活小分子药物或蛋白质毒素类药物的有效方法，有效提升了这些药物的治疗窗口。但是，到目前为止，可以在活体动物上进行的生物正交断键反应还很匮乏，具有临床应用潜力的目前只有一例报道（Click chemistry sees first use in humans, Chemical & Engineering News, Oct. 21, 2020）。主要原因在于触发断键反应的小分子试剂和被保护的活性分子在体内的浓度都很低，对断键反应的动力学要求非常高，既要保证具有较高的反应活性，也要保持官能团体内的生物正交性，这是非常具有挑战性的。所幸的是，随着第一例基于生物正交剪切反应的前药在动物体内显示出令人满意的结果，已进入临床实验阶段，这一方向的未来发展前景值得期待。本文共同第一作者为北京大学化学与分子工程学院王杰博士和汪欣博士（王杰博士目前是南方科技大学化学系助理教授）。陈鹏教授和樊新元副研究员为共同通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金委等机构的资助。
ACS Cent. Sci. 2021, ASAP
Publication Date: April 30, 2021
https://doi.org/10.1021/acscentsci.1c00124
Copyright © 2021 American Chemical Society
1. Prescher, J. A.; Bertozzi, C. R.,Chemistry in living systems. Nat. Chem. Biol. 2005, 1 (1), 13-21.
2. Wang, J.; Wang, X.; Fan, X.; Chen, P. R., Unleashing the Power of Bond Cleavage Chemistry inLiving Systems. ACS Cent. Sci. 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00124.
3. Li, J.; Chen, P. R., Developmentand application of bond cleavage reactions in bioorthogonal chemistry. Nat. Chem. Biol. 2016, 12 (3), 129-37.
4. Li, J.; Yu, J.; Zhao, J.; Wang, J.; Zheng, S.; Lin, S.; Chen, L.; Yang, M.; Jia, S.; Zhang, X.; Chen, P. R., Palladium-triggered deprotection chemistry for protein activation in livingcells. Nat. Chem. 2014, 6 (4), 352-361.
5. Li, J.; Jia, S.; Chen, P. R., Diels-Alderreaction–triggered bioorthogonal protein decaging in living cells. Nat Chem Biol 2014, 10 (12), 1003-1005.
6. Wang, J.; Liu, Y.; Liu, Y.; Zheng, S.; Wang, X.; Zhao, J.; Yang, F.; Zhang, G.; Wang, C.; Chen, P. R., Time-resolved protein activation by proximaldecaging in living systems. Nature 2019, 569 (7757), 509-513.
7. Liu, S.; Lin, C.; Xu, Y.; Luo, H.; Peng, L.; Zeng, X.; Zheng, H.; Chen, P. R.; Zou, P., A far-red hybridvoltage indicator enabled by bioorthogonal engineering of rhodopsin on liveneurons. Nat. Chem. 2021, DOI: 10.1038/s41557-021-00641-1.
8. Hu, Y.; Roberts, J. M.; Kilgore, H. R.; Mat Lani, A. S.; Raines, R. T.; Schomaker, J. M., Triple, Mutually Orthogonal Bioorthogonal Pairs through the Design of ElectronicallyActivated Sulfamate-Containing Cycloalkynes. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (44), 18826-18835.
图1. 生物正交剪切反应的开发与应用
目前评论：