生物正交反應(yīng)（有時(shí)也稱活細(xì)胞化學(xué)修飾）指的是那些能夠在活體細(xì)胞或組織中能夠在不干擾生物自身生化反應(yīng)條件下可以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。這個概念最早由Carolyn R. Bertozzi在2003年提出。生物正交的內(nèi)涵是在不對細(xì)胞產(chǎn)生毒性的條件下研究諸如蛋白質(zhì)，脂質(zhì)等生物大分子。一系列化學(xué)鏈接的策略被研究與探索用以滿足生物正交的要求，例如點(diǎn)擊化學(xué)click-reaction。
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為此，奇物論編輯部針對近期發(fā)表在頂刊上關(guān)于生物正交反應(yīng)的研究進(jìn)行整理，一起來看看生物與化學(xué)會碰撞出怎樣的火花！
1. JACS：末端尿苷酸轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的CRISPR-dCas9對可點(diǎn)擊染色質(zhì)的定點(diǎn)訪問
利用蛋白質(zhì)和小分子等功能探針對靶基因進(jìn)行位點(diǎn)特異性詢問，對于破譯基因功能的分子基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)調(diào)控其下游效應(yīng)的工具至關(guān)重要。在這種情況下，基于CRISPR的基因編輯和靶向技術(shù)被證明是非常有用的，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^簡單地改變單導(dǎo)RNA(sgRNA)的序列來編程，以靶向任何目的基因。盡管這些技術(shù)被廣泛應(yīng)用于基因編碼功能蛋白的發(fā)現(xiàn)，但由于缺乏合適的技術(shù)，CRISPR系統(tǒng)在小分子顯示方面的應(yīng)用還不完善。有鑒于此，印度科學(xué)教育與研究學(xué)院Seergazhi G. Srivatsan、科學(xué)與工業(yè)研究理事會Debojyoti Chakraborty、Souvik Maiti等人設(shè)計(jì)了一種名為sgRNA-Click(sgR-CLK)的創(chuàng)新技術(shù)，利用生物正交點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)重塑引導(dǎo)RNA在目標(biāo)基因上顯示合成分子。
本文要點(diǎn)：
1）sgR-CLK采用了一種新穎的轉(zhuǎn)錄后化學(xué)酶標(biāo)記平臺，其中末端尿苷酸轉(zhuǎn)移酶(TUTase)被重新利用，通過在3'端對多個疊氮修飾的核苷酸類似物進(jìn)行位點(diǎn)特異性剪裁來生成可點(diǎn)擊的sgRNA。其中，微創(chuàng)疊氮手柄的存在確保了sgRNAs起作用。
2）值得注意的是，一個以端粒重復(fù)序列的疊氮尾sgRNA在CRISPR-dCas9系統(tǒng)上充當(dāng)了特洛伊木馬，通過銅催化或菌株促進(jìn)的點(diǎn)擊反應(yīng)引導(dǎo)合成標(biāo)簽(生物素)位點(diǎn)-特異性位于染色質(zhì)上。
綜上所述，sgR-CLK在生物正交化學(xué)、TUTase和CRISPR工具箱的應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展，為小分子探針定點(diǎn)顯示和靶基因的診斷工具的提供一個簡化的解決方案。
Jerrin Thomas George, et al. Terminal UridylylTransferase Mediated Site-Directed Access to Clickable Chromatin EmployingCRISPR-dCas9. J. Am. Chem. Soc., 2020.
DOI: 10.1021/jacs.0c06541
https://doi.org/10.1021/jacs.0c06541
2. Chem：中性粒細(xì)胞膜導(dǎo)向生物正交法合成炎癥靶向手性藥物
靶向生物正交催化在局部前藥活化方面具有巨大潛力。盡管對映體純藥物在臨床中至關(guān)重要，但幾乎沒有報(bào)道通過生物正交反應(yīng)在生物體內(nèi)合成手性藥物。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，長春應(yīng)化所曲曉剛研究員等人使用甲酸鈉作為生物相容性還原劑，構(gòu)建了手性改性Pd催化劑用于不對稱轉(zhuǎn)移氫化（asymmetric transfer hydrogenation，ATH）反應(yīng)。
本文要點(diǎn):
1）通過結(jié)合ATH反應(yīng)和嗜中性粒細(xì)胞膜的趨化性，本文實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞中炎癥部位選擇性手性藥物的合成。
2）作為概念的證明，研究人員通過靶向ATH反應(yīng)原位合成了手性模型藥物布洛芬，以減輕作為體內(nèi)模型的小鼠爪中的炎癥。與對照相比，中性粒細(xì)胞膜包覆的手性Pd催化劑在抗炎作用中同時(shí)表現(xiàn)出靶向炎癥的能力和對映選擇性。這項(xiàng)研究可以為靶向性前藥活化中的生物正交催化提供新的視角。
Zhi Du, et al., Neutrophil-Membrane-DirectedBioorthogonal Synthesis of Inflammation-Targeting Chiral Drugs. Chem 2020.
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.002
3. Materials Today：生物正交超分子細(xì)胞偶聯(lián)用于靶向搭車給藥
細(xì)胞具有固有的優(yōu)勢，有利于有針對性的有效載荷傳遞。目前將有效載荷載體與細(xì)胞表面結(jié)合的策略要么是通過共價(jià)鍵，這不僅涉及復(fù)雜的合成過程，而且常常損害細(xì)胞功能，要么是通過僅特定于特定類型細(xì)胞的生物配體-受體相互作用。有鑒于此，澳門大學(xué)的王瑞兵和蘇州大學(xué)的鐘志遠(yuǎn)等研究人員，報(bào)道了一種簡單的、生物正交的超分子偶聯(lián)策略來制備靶向細(xì)胞搭便車遞送系統(tǒng)，該策略通過β-環(huán)糊精和金剛烷之間的人工主-客體相互作用，分別錨定(通過插入)在活細(xì)胞和有效載荷載體的表面。
本文要點(diǎn)
1）在爪部腫脹炎癥小鼠模型中，在巨噬細(xì)胞的炎癥趨向性的驅(qū)動下，超分子共軛巨噬細(xì)胞載體（細(xì)胞-細(xì)胞或細(xì)胞-納米顆粒系統(tǒng)）被有效地“手拉手”輸送到腫脹的爪子上。
2）此外，在小鼠急性肺炎癥模型中，腹腔巨噬細(xì)胞與負(fù)載槲皮素脂質(zhì)體的超分子偶聯(lián)能顯著提高脂質(zhì)體的靶向效率，通過槲皮素的抗炎、抗氧化作用，有效緩解肺炎癥。
細(xì)胞友好的、容易的、主-客體相互作用介導(dǎo)的細(xì)胞偶聯(lián)可能為制備各種細(xì)胞搭便車遞送系統(tǒng)提供了第一個通用策略，以滿足不同生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需要。
Cheng Gao, et al. Bioorthogonal supramolecular cell-conjugationfor targeted hitchhiking drug delivery. Materials Today, 2020.
DOI：10.1016/j.mattod.2020.05.023
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120302157
4. JACS：生物正交適配體-前藥共軛膠束分子自組裝—癌癥化學(xué)動力學(xué)治療新策略
化學(xué)動力學(xué)療法(CDT)通過對失調(diào)的腫瘤自由基穩(wěn)態(tài)的特異性調(diào)控，為選擇性和邏輯性癌癥干預(yù)提供了新的可能性。目前的CDT方法很大程度上依賴于經(jīng)典的Fenton或Haber-Weiss化學(xué)反應(yīng)將內(nèi)源性過氧化氫(H2O2)轉(zhuǎn)化為劇毒的羥基自由基。然而，它們的抗癌效果卻受到極大限制，包括它們需要強(qiáng)酸性來進(jìn)行高效的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)腫瘤中H2O2不足以及增強(qiáng)抗氧化防御以對抗自由基引起的氧化損傷等。在此，湖南大學(xué)譚蔚泓、劉艷嵐等人提出了一種新的概念，將生物正交化學(xué)和前藥相結(jié)合創(chuàng)建了一種新型的適配體藥物結(jié)合物(ApDC)：適配體-前藥共軛物(ApPdC)膠束，用于改善和癌癥靶向的CDT。
本文要點(diǎn)：
1)疏水性前藥堿基不僅可以促進(jìn)適配體的自組裝，而且還可以通過生物正交化學(xué)作為自由基生成劑。
2)深入的機(jī)理研究表明，與傳統(tǒng)的CDT系統(tǒng)不同，ApPdC膠束能夠通過級聯(lián)生物正交反應(yīng)在癌細(xì)胞中原位激活和自循環(huán)產(chǎn)生有毒的C-中心自由基，而不依賴于H2O2或pH，同時(shí)由于GSH的耗竭而降低了癌癥的抗氧化作用，從而實(shí)現(xiàn)了協(xié)同CDT效應(yīng)。預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作能為癌癥靶向治療的設(shè)計(jì)和自由基相關(guān)分子機(jī)制的研究提供新見解。
Wenjing Xuan, Yinghao Xia, Ting Li, et al.Molecular Self-Assembly of Bioorthogonal Aptamer-Prodrug Conjugate Micelles forHydrogen Peroxide and pH-Independent Cancer Chemodynamic Therapy. J. Am. Chem. Soc., 2019.
https://doi.org/10.1021/jacs.9b10755
5. Angew：基于功能化碳納米管的預(yù)靶向策略用于“點(diǎn)擊-釋放”生物正交腫瘤成像
四嗪與反式環(huán)辛烯(TCO)的生物正交反應(yīng)是一種控制生物活性試劑和成像探針釋放的有效方法。劍橋大學(xué)Gon?alo J. L. Bernardes設(shè)計(jì)了一種利用帶有四嗪(TZ@SWCNTs)的單壁碳納米管(SWCNTs)和TCO籠狀分子的預(yù)靶向激活策略，并將其用于遞送活性效應(yīng)分子。
本文要點(diǎn)：
（1）實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一種新型的熒光近紅外探針tHCA，它可以被生物正交化學(xué)反應(yīng)所激活，從而對小鼠腫瘤進(jìn)行成像。通過該預(yù)靶向的策略，實(shí)驗(yàn)也在活細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)了阿霉素前藥的選擇性激活和瞬時(shí)熒光成像。
（2）通過將tHCA探針和預(yù)靶向生物正交反應(yīng)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)在異種移植小鼠腫瘤模型中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、無創(chuàng)和低背景的腫瘤可視化成像。研究表明，四嗪功能化的SWCNTs具有增強(qiáng)的穩(wěn)定性、良好的生物相容性以及優(yōu)越的藥代動力學(xué)行為等優(yōu)勢，因此其可以實(shí)現(xiàn)高效的靶向生物正交反應(yīng)以對靶點(diǎn)的熒光團(tuán)或藥物進(jìn)行最大程度的激活。
He Li. et al. Tetrazine carbon nanotubes forpretargeted in vivo ‘click-torelease’bioorthogonal tumour imaging. AngewandteChemie International Edition. 2020
DOI: 10.1002/anie.202008012
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008012
6. JACS：利用編碼的四嗪氨基酸快速標(biāo)記真核細(xì)胞
由于組分穩(wěn)定性差、反應(yīng)速度慢，限制了生物分子在真核細(xì)胞中的標(biāo)記。有鑒于此，美國俄勒岡州立大學(xué)的Ryan A. Mehl等研究人員，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)中基因編碼的四嗪氨基酸與sTCO試劑的反應(yīng)速率為8×104 M-1 s-1，是真核生物系統(tǒng)中最快的位點(diǎn)特異性生物正交標(biāo)記。
本文要點(diǎn)
1）研究人員證明了四嗪氨基酸對蛋白質(zhì)是穩(wěn)定的，并且能夠用sTCO試劑進(jìn)行定量標(biāo)記。
2）這種連接的極高反應(yīng)速率使標(biāo)記濃度最小化，允許在標(biāo)記濃度小于蛋白質(zhì)濃度的情況下進(jìn)行亞化學(xué)計(jì)量的活體真核蛋白質(zhì)標(biāo)記。
3）這種方法對蛋白質(zhì)標(biāo)簽的組成和穩(wěn)定性提供了前所未有的控制。
預(yù)計(jì)該系統(tǒng)將對標(biāo)記和成像研究產(chǎn)生廣泛的影響，因?yàn)樗梢杂糜谒型ǔＵ坏腜ylRS/tRNA對。
Hyo Sang Jang, et al. Access to FasterEukaryotic Cell Labeling with Encoded Tetrazine Amino Acids. Journal of theAmerican Chemical Society, 2020.
DOI：10.1021/jacs.9b11520
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b11520
7. Biomaterials：生物正交靶向1064納米激發(fā)的納米診療平臺
利用1064 nm光激活的NIR-IIa熒光成像(FI)和NIR-II光熱治療(PTT)分別具有高分辨率成像和良好的深部治療效果。而將NIR-IIa FI與NIR-II PTT相結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)對深部腫瘤組織的精確療。南京郵電大學(xué)孫鵬飛老師和范曲立教授合作制備了一種可由1064 nm光激發(fā)的，基于方酸的半導(dǎo)體聚合物納米顆粒(PSQPNs-DBCO)，并將其用于精確的NIR-IIa熒光成像指導(dǎo)的NIR-II PTT治療。
本文要點(diǎn)：
（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)合生物正交標(biāo)記技術(shù)，使得PSQPNs-DBCO可以在腫瘤中上大量積累， 為后續(xù)的診療應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
（2）瘤內(nèi)的PSQPNs-DBCO可以極大地提高對結(jié)直腸癌成像的信號本底比值(SBR)和針對腫瘤的NIR-II PTT效率。
Wansu Zhang. et al. Bioorthogonal-targeted1064 nm excitation theranostic nanoplatform for precise NIR-IIa fluorescenceimaging guided efficient NIR-II photothermal therapy. Biomaterials. 2020
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220301800
8. Nature BME: 活體內(nèi)3D打印
直接在活體動物中制造三維（3D）結(jié)構(gòu)和功能組織將使器官修復(fù)或重建的微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)成為可能。有鑒于此，意大利帕多瓦大學(xué)Nicola Elvassore等人展示了使用生物正交雙光子環(huán)加成法和長于850nm波長的聚合物交聯(lián)，可以在活小鼠的組織間和組織內(nèi)進(jìn)行生物打印3D負(fù)載細(xì)胞的光敏聚合物水凝膠。
本文要點(diǎn)：
1）這種活體內(nèi)的3D生物打印不會產(chǎn)生副產(chǎn)品，并且利用常見的多光子顯微鏡將生物打印結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確定位和定向到特定的解剖部位，使其能夠在活體小鼠組織內(nèi)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括真皮，骨骼肌和大腦。
2）結(jié)果還顯示，在小鼠后肢肌肉的表皮下的供體肌肉來源的干細(xì)胞的活體內(nèi)3D生物打印在小鼠中導(dǎo)致肌纖維的從頭形成?；铙w3D生物打印可以作為常規(guī)生物打印的體內(nèi)替代方法。
Urciuolo, A., et al. Intravitalthree-dimensional bioprinting. Nat Biomed Eng (2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0568-z
9. Biomaterials：生物正交交聯(lián)透明質(zhì)酸-膠原水凝膠用于角膜缺損的無縫線修復(fù)
模擬角膜基質(zhì)的生物材料可以減少對供體角膜組織的需求，并可以降低與供體角膜相關(guān)的并發(fā)癥的發(fā)生率，包括感染和排斥。有鑒于此，美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的David Myung等研究人員，開發(fā)了一種生物正交交聯(lián)的透明質(zhì)酸-膠原水凝膠，它可以原位填充角膜缺損，而不需要任何縫線、引發(fā)劑或催化劑。
本文要點(diǎn)
1）研究了雙正交交聯(lián)對水凝膠透光率的影響，該水凝膠的透光率大于97%。優(yōu)化后的水凝膠在可見光范圍內(nèi)的透過率大于94%。
2）研究人員還研究了這種透明質(zhì)酸-膠原水凝膠的力學(xué)性能、折射率、掃描電鏡形態(tài)、生物相容性和角膜再上皮化能力。
本文的體外、體內(nèi)和離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種生物正交交聯(lián)的透明質(zhì)酸-膠原水凝膠作為角膜修復(fù)和再生的生物材料具有很好的潛力。
Fang Chen, et al. In Bio-orthogonally crosslinkedhyaluronate-collagen hydrogel for suture-free corneal defect repair. Biomaterials, 2020.
DOI：10.1016/j.biomaterials.2020.120176
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961220304221
