生物正交反應(yīng)是指那些能夠在活體細(xì)胞或組織中且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)。其中，生物正交反應(yīng)的點(diǎn)擊化學(xué)由于具有較高的選擇性和反應(yīng)效率，其在化學(xué)和生物領(lǐng)域都表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。最常見(jiàn)的、經(jīng)典的點(diǎn)擊反應(yīng)即是銅催化疊氮-炔基的環(huán)加成(CuAAC)反應(yīng)。目前，CuAAC反應(yīng)及其衍生反應(yīng)已成功的應(yīng)用于蛋白質(zhì)、糖基、脂類和核酸的體外標(biāo)記以及在藥物方面的合成。然而，目前大多數(shù)報(bào)道的通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)合成藥物的方法都需要兩步反應(yīng)。該策略的活性藥物需在體外預(yù)先合成，再交付給生物體。因此，合成的活性藥物分子的毒性、傳遞和定位等問(wèn)題是亟待解決的問(wèn)題。更重要的是，對(duì)于生命體而言，錯(cuò)位的生物分子不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，而且錯(cuò)位的藥物也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用。同時(shí)，活性藥物在活細(xì)胞的不同部位可能具有完全不同的性質(zhì)。因此，在相應(yīng)的藥物靶點(diǎn)進(jìn)行藥物的局部合成是一種非常有吸引力的給藥方式，同時(shí)可以最大限度地發(fā)揮等量藥物的藥效并降低副作用。雖然通過(guò)CuAAC反應(yīng)可以得到理想的化合物或藥物，但是特異性的CuAAC反應(yīng)在活細(xì)胞中定位藥物合成的位置還處于研究的初期。同時(shí)，CuAAC反應(yīng)中的銅離子會(huì)產(chǎn)生活性氧，對(duì)活細(xì)胞有嚴(yán)重的毒性。此外，均相有機(jī)銅配體催化劑在水溶性、穩(wěn)定性和生物相容性等方面也還存在一定的問(wèn)題。同時(shí)，目前CuAAC反應(yīng)的多相催化劑很少能滿足在亞細(xì)胞細(xì)胞器中進(jìn)行催化藥物合成的要求。
最近，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的曲曉剛研究員（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種在金屬-有機(jī)骨架上構(gòu)建的非均相的銅催化劑。該銅催化劑可以優(yōu)先在具有高催化活性的活細(xì)胞線粒體中積累，作者已通過(guò)體內(nèi)腫瘤治療實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明。同時(shí)，該系統(tǒng)也可以通過(guò)線粒體中的位點(diǎn)進(jìn)行特異性的CuAAC反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)局部的藥物合成，并且可以廣泛的用于合成具有良好生物相容性的多種藥物。更為重要的是，由于是在亞細(xì)胞中進(jìn)行局部的藥物合成，很好的避免了毒性分子的遞送和分布的問(wèn)題。同時(shí)，作者利用體內(nèi)腫瘤治療實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)局部合成的白藜蘆醇衍生物顯示出了更好的抗腫瘤功效，并明顯的降低了藥物的副作用。這對(duì)于減少藥物輸送和分配中發(fā)生的多種副作用至關(guān)重要。研究成果以題為“Biocompatible Heterogeneous MOF-Cu Catalyst Used for In Vivo Drug Synthesis at Targeted Subcellular Organelles”發(fā)布在國(guó)際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。
（a）研究中使用的鋯金屬-有機(jī)骨架（MOF）、Cu-組合的MOF材料（MOF-Cu）和TPP改性的催化劑（MOF-Cu-TPP）； （b）細(xì)胞內(nèi)生物正交反應(yīng)用于MOF-Cu-TPP催化的線粒體下的原位藥物合成。
（a）MOF-Cu催化香豆素疊氮和苯乙炔生成香豆素?zé)晒夥肿拥?, 3-偶極環(huán)加成反應(yīng)的示意圖； （b）沒(méi)有（黑線）和有（紅線）MOF-Cu催化劑的點(diǎn)擊反應(yīng)的熒光光譜和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)熒光照片（插入照片）； （c）在沒(méi)有催化劑的反應(yīng)的不同時(shí)間（0-120 min）下熒光光譜的變化； （d）有MOF-Cu催化劑的反應(yīng)的不同時(shí)間（0-120 min）下熒光光譜的變化。
（a）MOF-Cu催化香豆素疊氮與苯乙炔在活細(xì)胞中的點(diǎn)擊反應(yīng)示意圖； （b）分別用流式細(xì)胞術(shù)分析熒光變化、對(duì)照(單細(xì)胞)、單細(xì)胞MOF-Cu、前體1 (2)和前體MOF-Cu （c）未經(jīng)(A-C)和有(D-F) MOF-Cu催化劑處理MCF-7細(xì)胞的熒光圖像。
（a）線粒體中白藜蘆醇衍生物的原位合成示意圖； （b） 低濃度下的化合物4和化合物5在MCF-7細(xì)胞中的毒性實(shí)驗(yàn)； （c）MOF-Cu-TPP催化劑催化原位合成化合物6與藥物分子單體的毒性對(duì)比； （d）用DCFH-DA探針流式細(xì)胞術(shù)分析反應(yīng)發(fā)生時(shí)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的積累情況； （e）流式細(xì)胞術(shù)分析Annexin V-FITC和碘化丙鈉雙染色對(duì)MCF- 7細(xì)胞凋亡的影響。
（a） 設(shè)計(jì)的秀麗隱桿線蟲(chóng)中催化劑催化的點(diǎn)擊反應(yīng)示意圖； （b）加或不加催化劑的N2野生型毒株蠕蟲(chóng)生存分析曲線； （c）秀麗隱桿線蟲(chóng)中生成熒光分子的藍(lán)色熒光圖像。
綜上所述，作者首次成功構(gòu)建了線粒體靶向多相催化劑，并展示了其在腫瘤治療中的應(yīng)用效果。所設(shè)計(jì)的催化劑具有較高的催化活性、穩(wěn)定性并且可以重復(fù)的使用。該催化劑可激活原熒光團(tuán)，并在線粒體中進(jìn)行局部的藥物合成。從亞細(xì)胞細(xì)胞器中的惰性前藥原位合成活性藥物，具有在最小化的藥物毒副作用和最大化治療效果。同時(shí)，利用秀麗隱桿線蟲(chóng)的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的催化劑具有良好的生物相容性，同時(shí)局部合成的白藜蘆醇衍生物具有較好的抗腫瘤作用。該工作為減少藥物遞送和分布過(guò)程中出現(xiàn)的多重副作用提供了新的策略。
文獻(xiàn)鏈接：Biocompatible Heterogeneous MOF-Cu Catalyst Used for In Vivo Drug Synthesis at Targeted Subcellular Organelles（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI:10.1002/anie.201901760）
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