17年前提出的概念，最近研究如何？谭蔚泓、曲晓刚、钟志远、范曲立、王瑞兵等人最新研究进展
小奇
2020-07-30
生物正交反应（有时也称活细胞化学修饰）指的是那些能够在活体细胞或组织中能够在不干扰生物自身生化反应条件下可以进行的化学反应。这个概念最早由Carolyn R. Bertozzi在2003年提出。生物正交的内涵是在不对细胞产生毒性的条件下研究诸如蛋白质，脂质等生物大分子。一系列化学链接的策略被研究与探索用以满足生物正交的要求，例如点击化学click-reaction。
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为此，奇物论编辑部针对近期发表在顶刊上关于生物正交反应的研究进行整理，一起来看看生物与化学会碰撞出怎样的火花！
1. JACS：末端尿苷酸转移酶介导的CRISPR-dCas9对可点击染色质的定点访问
利用蛋白质和小分子等功能探针对靶基因进行位点特异性询问，对于破译基因功能的分子基础和设计调控其下游效应的工具至关重要。在这种情况下，基于CRISPR的基因编辑和靶向技术被证明是非常有用的，因为它们可以通过简单地改变单导RNA(sgRNA)的序列来编程，以靶向任何目的基因。尽管这些技术被广泛应用于基因编码功能蛋白的发现，但由于缺乏合适的技术，CRISPR系统在小分子显示方面的应用还不完善。有鉴于此，印度科学教育与研究学院Seergazhi G. Srivatsan、科学与工业研究理事会Debojyoti Chakraborty、Souvik Maiti等人设计了一种名为sgRNA-Click(sgR-CLK)的创新技术，利用生物正交点击化学技术重塑引导RNA在目标基因上显示合成分子。
本文要点：
1）sgR-CLK采用了一种新颖的转录后化学酶标记平台，其中末端尿苷酸转移酶(TUTase)被重新利用，通过在3'端对多个叠氮修饰的核苷酸类似物进行位点特异性剪裁来生成可点击的sgRNA。其中，微创叠氮手柄的存在确保了sgRNAs起作用。
2）值得注意的是，一个以端粒重复序列的叠氮尾sgRNA在CRISPR-dCas9系统上充当了特洛伊木马，通过铜催化或菌株促进的点击反应引导合成标签(生物素)位点-特异性位于染色质上。
综上所述，sgR-CLK在生物正交化学、TUTase和CRISPR工具箱的应用方面取得了重大进展，为小分子探针定点显示和靶基因的诊断工具的提供一个简化的解决方案。
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：中性粒细胞膜导向生物正交法合成炎症靶向手性药物
靶向生物正交催化在局部前药活化方面具有巨大潜力。尽管对映体纯药物在临床中至关重要，但几乎没有报道通过生物正交反应在生物体内合成手性药物。为了实现这一目标，长春应化所曲晓刚研究员等人使用甲酸钠作为生物相容性还原剂，构建了手性改性Pd催化剂用于不对称转移氢化（asymmetric transfer hydrogenation，ATH）反应。
本文要点:
1）通过结合ATH反应和嗜中性粒细胞膜的趋化性，本文实现了活细胞中炎症部位选择性手性药物的合成。
2）作为概念的证明，研究人员通过靶向ATH反应原位合成了手性模型药物布洛芬，以减轻作为体内模型的小鼠爪中的炎症。与对照相比，中性粒细胞膜包覆的手性Pd催化剂在抗炎作用中同时表现出靶向炎症的能力和对映选择性。这项研究可以为靶向性前药活化中的生物正交催化提供新的视角。
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：生物正交超分子细胞偶联用于靶向搭车给药
细胞具有固有的优势，有利于有针对性的有效载荷传递。目前将有效载荷载体与细胞表面结合的策略要么是通过共价键，这不仅涉及复杂的合成过程，而且常常损害细胞功能，要么是通过仅特定于特定类型细胞的生物配体-受体相互作用。有鉴于此，澳门大学的王瑞兵和苏州大学的钟志远等研究人员，报道了一种简单的、生物正交的超分子偶联策略来制备靶向细胞搭便车递送系统，该策略通过β-环糊精和金刚烷之间的人工主-客体相互作用，分别锚定(通过插入)在活细胞和有效载荷载体的表面。
本文要点
1）在爪部肿胀炎症小鼠模型中，在巨噬细胞的炎症趋向性的驱动下，超分子共轭巨噬细胞载体（细胞-细胞或细胞-纳米颗粒系统）被有效地“手拉手”输送到肿胀的爪子上。
2）此外，在小鼠急性肺炎症模型中，腹腔巨噬细胞与负载槲皮素脂质体的超分子偶联能显著提高脂质体的靶向效率，通过槲皮素的抗炎、抗氧化作用，有效缓解肺炎症。
细胞友好的、容易的、主-客体相互作用介导的细胞偶联可能为制备各种细胞搭便车递送系统提供了第一个通用策略，以满足不同生物医学应用的需要。
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：生物正交适配体-前药共轭胶束分子自组装—癌症化学动力学治疗新策略
化学动力学疗法(CDT)通过对失调的肿瘤自由基稳态的特异性调控，为选择性和逻辑性癌症干预提供了新的可能性。目前的CDT方法很大程度上依赖于经典的Fenton或Haber-Weiss化学反应将内源性过氧化氢(H2O2)转化为剧毒的羟基自由基。然而，它们的抗癌效果却受到极大限制，包括它们需要强酸性来进行高效的化学反应，同时肿瘤中H2O2不足以及增强抗氧化防御以对抗自由基引起的氧化损伤等。在此，湖南大学谭蔚泓、刘艳岚等人提出了一种新的概念，将生物正交化学和前药相结合创建了一种新型的适配体药物结合物(ApDC)：适配体-前药共轭物(ApPdC)胶束，用于改善和癌症靶向的CDT。
本文要点：
1)疏水性前药碱基不仅可以促进适配体的自组装，而且还可以通过生物正交化学作为自由基生成剂。
2)深入的机理研究表明，与传统的CDT系统不同，ApPdC胶束能够通过级联生物正交反应在癌细胞中原位激活和自循环产生有毒的C-中心自由基，而不依赖于H2O2或pH，同时由于GSH的耗竭而降低了癌症的抗氧化作用，从而实现了协同CDT效应。预计这项工作能为癌症靶向治疗的设计和自由基相关分子机制的研究提供新见解。
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：基于功能化碳纳米管的预靶向策略用于“点击-释放”生物正交肿瘤成像
四嗪与反式环辛烯(TCO)的生物正交反应是一种控制生物活性试剂和成像探针释放的有效方法。剑桥大学Gonçalo J. L. Bernardes设计了一种利用带有四嗪(TZ@SWCNTs)的单壁碳纳米管(SWCNTs)和TCO笼状分子的预靶向激活策略，并将其用于递送活性效应分子。
本文要点：
（1）实验开发了一种新型的荧光近红外探针tHCA，它可以被生物正交化学反应所激活，从而对小鼠肿瘤进行成像。通过该预靶向的策略，实验也在活细胞中实现了阿霉素前药的选择性激活和瞬时荧光成像。
（2）通过将tHCA探针和预靶向生物正交反应相结合，实验在异种移植小鼠肿瘤模型中实现了实时、无创和低背景的肿瘤可视化成像。研究表明，四嗪功能化的SWCNTs具有增强的稳定性、良好的生物相容性以及优越的药代动力学行为等优势，因此其可以实现高效的靶向生物正交反应以对靶点的荧光团或药物进行最大程度的激活。
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：利用编码的四嗪氨基酸快速标记真核细胞
由于组分稳定性差、反应速度慢，限制了生物分子在真核细胞中的标记。有鉴于此，美国俄勒冈州立大学的Ryan A. Mehl等研究人员，发现蛋白质中基因编码的四嗪氨基酸与sTCO试剂的反应速率为8×104 M-1 s-1，是真核生物系统中最快的位点特异性生物正交标记。
本文要点
1）研究人员证明了四嗪氨基酸对蛋白质是稳定的，并且能够用sTCO试剂进行定量标记。
2）这种连接的极高反应速率使标记浓度最小化，允许在标记浓度小于蛋白质浓度的情况下进行亚化学计量的活体真核蛋白质标记。
3）这种方法对蛋白质标签的组成和稳定性提供了前所未有的控制。
预计该系统将对标记和成像研究产生广泛的影响，因为它可以用于所有通常正交的PylRS/tRNA对。
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纳米激发的纳米诊疗平台
利用1064 nm光激活的NIR-IIa荧光成像(FI)和NIR-II光热治疗(PTT)分别具有高分辨率成像和良好的深部治疗效果。而将NIR-IIa FI与NIR-II PTT相结合，则可以实现对深部肿瘤组织的精确疗。南京邮电大学孙鹏飞老师和范曲立教授合作制备了一种可由1064 nm光激发的，基于方酸的半导体聚合物纳米颗粒(PSQPNs-DBCO)，并将其用于精确的NIR-IIa荧光成像指导的NIR-II PTT治疗。
本文要点：
（1）实验结合生物正交标记技术，使得PSQPNs-DBCO可以在肿瘤中上大量积累， 为后续的诊疗应用提供基础。
（2）瘤内的PSQPNs-DBCO可以极大地提高对结直肠癌成像的信号本底比值(SBR)和针对肿瘤的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: 活体内3D打印
直接在活体动物中制造三维（3D）结构和功能组织将使器官修复或重建的微创外科手术技术成为可能。有鉴于此，意大利帕多瓦大学Nicola Elvassore等人展示了使用生物正交双光子环加成法和长于850nm波长的聚合物交联，可以在活小鼠的组织间和组织内进行生物打印3D负载细胞的光敏聚合物水凝胶。
本文要点：
1）这种活体内的3D生物打印不会产生副产品，并且利用常见的多光子显微镜将生物打印结构准确定位和定向到特定的解剖部位，使其能够在活体小鼠组织内制造复杂结构，包括真皮，骨骼肌和大脑。
2）结果还显示，在小鼠后肢肌肉的表皮下的供体肌肉来源的干细胞的活体内3D生物打印在小鼠中导致肌纤维的从头形成。活体3D生物打印可以作为常规生物打印的体内替代方法。
Urciuolo, A., et al. Intravitalthree-dimensional bioprinting. Nat Biomed Eng (2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0568-z
9. Biomaterials：生物正交交联透明质酸-胶原水凝胶用于角膜缺损的无缝线修复
模拟角膜基质的生物材料可以减少对供体角膜组织的需求，并可以降低与供体角膜相关的并发症的发生率，包括感染和排斥。有鉴于此，美国斯坦福大学医学院的David Myung等研究人员，开发了一种生物正交交联的透明质酸-胶原水凝胶，它可以原位填充角膜缺损，而不需要任何缝线、引发剂或催化剂。
本文要点
1）研究了双正交交联对水凝胶透光率的影响，该水凝胶的透光率大于97%。优化后的水凝胶在可见光范围内的透过率大于94%。
2）研究人员还研究了这种透明质酸-胶原水凝胶的力学性能、折射率、扫描电镜形态、生物相容性和角膜再上皮化能力。
本文的体外、体内和离体实验结果表明，这种生物正交交联的透明质酸-胶原水凝胶作为角膜修复和再生的生物材料具有很好的潜力。
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
