分享的是一篇今年3月份發(fā)表在JACS上的文章，本文的通訊作者Joseph M. Fox是來自特拉華大學化學和生物化學系教授，研究集中在開發(fā)新型化學反應，將這些新反應應用于具有生物功能的自然產(chǎn)生和設計的分子的合成，以及將設計概念應用于生物學和材料科學的有機合成。
在實現(xiàn)生物系統(tǒng)控制所需的時空控制方面，光發(fā)揮了關鍵作用。傳統(tǒng)上，這些過程是通過紫外線或短波長光的激發(fā)來激活的。光籠和光親和標記已經(jīng)成為調(diào)節(jié)和探測小分子活性的主要手段，而光活化生物正交化學（光點擊化學）已成為標記生物分子的工具。突出的例子光催化和長波長的光被用來啟動二氫四嗪（DHTz）的氧化，從而激活與熒光標記的反環(huán)辛烯的快速雙分子化學反應。
硅羅丹明（SiR）染料，更常規(guī)地用作生物熒光團，用作具有高細胞相容性重新利用為光催化劑。市售的Hoechst染料（SiR-H）和多烯紫杉醇（SiR-T）的偶聯(lián)物分別用于將SiR定位到細胞核和微管。作者設計了一類新型氧化還原激活光籠，以釋放苯酚或n-CA4（一種微管去穩(wěn)定劑），僅使用2 μM SiR和40 μM 光籠就可以在5分鐘內(nèi)完成光脫籠（圖1）。
Fig1.遠紅光對亞細胞定位的光催化脫籠 首先，作者設計了一種基于二氫四嗪-四嗪氧化還原化學的光催化誘導型光籠，設計了結構A的DHTz-乙烯基醚，氧化后生成四嗪B，該四嗪B位于分子內(nèi)4+2環(huán)加成反應中生成加合物C，DFT計算用來預測分子內(nèi)環(huán)加成的可行性（圖2）。 Fig2.新型光脫籠分子設計 之后，作者合成了合成了基于DHTz的光氧化籠，化合物1被設計用來釋放噠嗪2和n-CA4，這是一種強效的微管蛋白抑制劑。還制備了對照化合物4，它是1的二氫類似物，缺乏烯烴基，因此不能釋放n-CA4。SiR-Hoechst共軛物SiR-H衍生物將熒光基團鎖定在細胞核中的DNA上，而SiR-docetaxel共軛物SiR-T將熒光基團鎖定在管蛋白上（圖3）。 Fig3. 光籠化合物的合成 作者使用紫外可見分光和HPLC分析監(jiān)測使用模型化合物3的光催化氧化和脫籠研究（Fig4）。在SiR（2 μM，5 mol %）的存在下，用660 nm的光照射3（40 μM）20分鐘，導致2和苯酚的釋放。通過HPLC，產(chǎn)品的產(chǎn)率分別為86%和84%（圖4A）。每隔20秒用紫外-可見光譜儀監(jiān)測脫籠，以跟蹤起始材料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)物的存在（圖4C）。 化合物3在227 nm處有紫外可見的最大吸收，而產(chǎn)物化合物2在275 nm處有紫外最大吸收。在光化學反應過程中進行了紫外可見光譜監(jiān)測，顯示由于3的轉化，227 nm處的吸光度下降，同時275 nm處的吸收增加（圖4B，C）。在實驗過程中，310 nm處的吸收暫時增加，然后減少，這與一個中間物的形成相一致。這個中間物引起的吸收在80 s后達到最大值（圖4C,D中的藍線），并以半衰期～100 s衰減。 Fig4. 光催化釋放研究 接下來，作者使用化合物1和核定位的SiR-H光催化劑處理NIH3T3小鼠成纖維細胞來研究細胞內(nèi)n-CA4的光脫籠。對于載體對照（DPBS中的0.1% DMSO），細胞表現(xiàn)出拉長、聚合和有組織的微管結構（圖5B，左）。用n-CA4（10 nM）處理后，細胞顯示出微管細胞骨架的崩潰和細胞面積的減少（圖5B，中）。同樣，用光催化脫籠處理的細胞表現(xiàn)出解聚的微管（圖5B，右）。 然后將每個樣品的平均面積進行歸一化，并繪制出樣品與vehicle對照之間的百分比差異（圖5C）。負值的數(shù)據(jù)表示細胞面積相對于對照的減少，意味著微管解聚，而數(shù)據(jù)在零或零左右表示細胞面積變化不大。與對照相比，用n-CA4處理的細胞在光照下顯示出20%（+/-4.2%）的細胞面積減少。同樣，在脫籠條件下（化合物1+SiR-H+光）處理的細胞，面積減少21%（+/-3.0%）。在沒有光或光催化劑的情況下，1對細胞面積沒有明顯影響。用4處理的細胞，缺乏釋放所必需的烯烴，無論是否有光催化劑和/或光，都沒有顯示細胞面積的變化（圖5C）。此外，使用缺少誘導脫籠的條件（缺乏光、SiR-H或烯）處理細胞顯示拉長和有組織的微管（圖5D）。 Fig5. 定位于亞細胞內(nèi)光脫籠 為了進一步證明光脫籠是由于SiR-H的亞細胞定位而發(fā)生的，抗壞血酸被用來作為光催化的細胞外淬滅劑。由于抗壞血酸（Ascorbate）的細胞滲透性很差細胞內(nèi)定位的SiR-H不會受到抗壞血酸的影響，所以仍然可以觀察到成功的脫籠（圖6A）。然而，細胞不可滲透的SiR衍生物（SiR-X）（圖6D）將被抗壞血酸淬滅，預計不會發(fā)生光脫籠（圖6B）。如預期，單獨用抗壞血酸處理的細胞顯示出拉長的微管結構，而用n-CA4和抗壞血酸處理則導致微管解聚。在抗壞血酸存在的情況下，1+SiR-H（定位到細胞核），顯示出解聚的微管，與成功光脫籠一致（圖6E）。然而，在相同的條件下，用1+SiR-X，即細胞不可滲透的光催化劑處理，并沒有導致微管的解聚。這些結論得到了細胞面積定量數(shù)據(jù)的進一步支持（圖6F）。 Fig6. 光脫籠發(fā)生在細胞內(nèi)環(huán)境 最后，作者通過共聚焦顯微鏡來觀察細胞中光催化脫籠的實時結果。通過將SiR定位到微管蛋白（SiR-T）上，對微管進行成像，每5分鐘一次，持續(xù)45分鐘。在這段時間內(nèi)，可以觀察到穩(wěn)定的微管解聚，45分鐘后，微管結構的大小和亮度減弱，正常的微管中看到的細長結構消失（圖7A）。在缺少烯烴對照實驗中，沒有看到微管結構的變化，這表明光照射對脫籠是必要的（圖7B）。 Fig7. 定位于微管蛋白(SiR-T)的光脫籠實時成像 總之，作者描述了一種基于分子內(nèi)四嗪連接的新型光籠，并在活細胞的細胞器水平上激活。使用市售的Sia-Hoechst(SiR-H)和SiR-docetaxel(SiR-T)分別定位于細胞核和微管，并使用一類新的氧化還原激活的光脫籠釋放微管去穩(wěn)定劑n-CA4。實驗表明，n-CA4在細胞內(nèi)而不是在細胞外環(huán)境實驗光脫籠。使用SiR-T，可作為光催化劑和微管解聚的熒光報告基因，可以實時顯示活細胞中光催化脫籠的結果。 文章作者：WCJ 原文引用：10.1021/jacs.2c10655 責任編輯：LD
