中科院長春應化所 曲曉剛團隊 Angew: 生物相容的非均相MOF-Cu催化劑用于靶向亞細胞器的體內藥物合成

【引言】

生物正交反應是指那些能夠在活體細胞或組織中且在不干擾生物自身生化反應條件下可以進行的化學反應。其中，生物正交反應的點擊化學由于具有較高的選擇性和反應效率，其在化學和生物領域都表現出良好的適應性。最常見的、經典的點擊反應即是銅催化疊氮-炔基的環加成(CuAAC)反應。目前，CuAAC反應及其衍生反應已成功的應用于蛋白質、糖基、脂類和核酸的體外標記以及在藥物方面的合成。然而，目前大多數報道的通過點擊化學合成藥物的方法都需要兩步反應。該策略的活性藥物需在體外預先合成，再交付給生物體。因此，合成的活性藥物分子的毒性、傳遞和定位等問題是亟待解決的問題。更重要的是，對于生命體而言，錯位的生物分子不僅會導致嚴重的疾病，而且錯位的藥物也會產生嚴重的副作用。同時，活性藥物在活細胞的不同部位可能具有完全不同的性質。因此，在相應的藥物靶點進行藥物的局部合成是一種非常有吸引力的給藥方式，同時可以最大限度地發揮等量藥物的藥效并降低副作用。雖然通過CuAAC反應可以得到理想的化合物或藥物，但是特異性的CuAAC反應在活細胞中定位藥物合成的位置還處于研究的初期。同時，CuAAC反應中的銅離子會產生活性氧，對活細胞有嚴重的毒性。此外，均相有機銅配體催化劑在水溶性、穩定性和生物相容性等方面也還存在一定的問題。同時，目前CuAAC反應的多相催化劑很少能滿足在亞細胞細胞器中進行催化藥物合成的要求。

【成果簡介】

最近，中國科學院長春應用化學研究所的曲曉剛研究員（通訊作者）團隊報道了一種在金屬-有機骨架上構建的非均相的銅催化劑。該銅催化劑可以優先在具有高催化活性的活細胞線粒體中積累，作者已通過體內腫瘤治療實驗進行證明。同時，該系統也可以通過線粒體中的位點進行特異性的CuAAC反應，以實現局部的藥物合成，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，由于是在亞細胞中進行局部的藥物合成，很好的避免了毒性分子的遞送和分布的問題。同時，作者利用體內腫瘤治療實驗，發現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。這對于減少藥物輸送和分配中發生的多種副作用至關重要。研究成果以題為“Biocompatible Heterogeneous MOF-Cu Catalyst Used for In Vivo Drug Synthesis at Targeted Subcellular Organelles”發布在國際著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文解讀】

圖一、構建靶向線粒體的CuAAC反應催化劑和亞細胞器下原位藥物合成
（a）研究中使用的鋯金屬-有機骨架（MOF）、Cu-組合的MOF材料（MOF-Cu）和TPP改性的催化劑（MOF-Cu-TPP）；

（b）細胞內生物正交反應用于MOF-Cu-TPP催化的線粒體下的原位藥物合成。

圖二、MOF-Cu納米催化劑的體外催化實驗和檢測
（a）MOF-Cu催化香豆素疊氮和苯乙炔生成香豆素熒光分子的1, 3-偶極環加成反應的示意圖；

（b）沒有（黑線）和有（紅線）MOF-Cu催化劑的點擊反應的熒光光譜和相應的實驗熒光照片（插入照片）；

（c）在沒有催化劑的反應的不同時間（0-120 min）下熒光光譜的變化；

（d）有MOF-Cu催化劑的反應的不同時間（0-120 min）下熒光光譜的變化。

圖三、 銅催化劑催化的活細胞中的點擊反應
（a）MOF-Cu催化香豆素疊氮與苯乙炔在活細胞中的點擊反應示意圖；

（b）分別用流式細胞術分析熒光變化、對照(單細胞)、單細胞MOF-Cu、前體1 (2)和前體MOF-Cu

（c）未經(A-C)和有(D-F) MOF-Cu催化劑處理MCF-7細胞的熒光圖像。

圖四、制備的靶向性銅催化劑在線粒體中原位合成白藜蘆醇衍生物
（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細胞中的毒性實驗；

（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比；

（d）用DCFH-DA探針流式細胞術分析反應發生時細胞內氧化應激的積累情況；

（e）流式細胞術分析Annexin V-FITC和碘化丙鈉雙染色對MCF- 7細胞凋亡的影響。

圖五、秀麗隱桿線蟲模型中發生的點擊反應
（a） 設計的秀麗隱桿線蟲中催化劑催化的點擊反應示意圖；

（b）加或不加催化劑的N2野生型毒株蠕蟲生存分析曲線；

（c）秀麗隱桿線蟲中生成熒光分子的藍色熒光圖像。

【小結】

綜上所述，作者首次成功構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用效果。所設計的催化劑具有較高的催化活性、穩定性并且可以重復的使用。該催化劑可激活原熒光團，并在線粒體中進行局部的藥物合成。從亞細胞細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，利用秀麗隱桿線蟲的體內實驗證明了所設計的催化劑具有良好的生物相容性，同時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程中出現的多重副作用提供了新的策略。

文獻鏈接：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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