中科院长春应化所 曲晓刚团队 Angew: 生物相容的非均相MOF-Cu催化剂用于靶向亚细胞器的体内药物合成

【引言】

生物正交反应是指那些能够在活体细胞或组织中且在不干扰生物自身生化反应条件下可以进行的化学反应。其中，生物正交反应的点击化学由于具有较高的选择性和反应效率，其在化学和生物领域都表现出良好的适应性。最常见的、经典的点击反应即是铜催化叠氮-炔基的环加成(CuAAC)反应。目前，CuAAC反应及其衍生反应已成功的应用于蛋白质、糖基、脂类和核酸的体外标记以及在药物方面的合成。然而，目前大多数报道的通过点击化学合成药物的方法都需要两步反应。该策略的活性药物需在体外预先合成，再交付给生物体。因此，合成的活性药物分子的毒性、传递和定位等问题是亟待解决的问题。更重要的是，对于生命体而言，错位的生物分子不仅会导致严重的疾病，而且错位的药物也会产生严重的副作用。同时，活性药物在活细胞的不同部位可能具有完全不同的性质。因此，在相应的药物靶点进行药物的局部合成是一种非常有吸引力的给药方式，同时可以最大限度地发挥等量药物的药效并降低副作用。虽然通过CuAAC反应可以得到理想的化合物或药物，但是特异性的CuAAC反应在活细胞中定位药物合成的位置还处于研究的初期。同时，CuAAC反应中的铜离子会产生活性氧，对活细胞有严重的毒性。此外，均相有机铜配体催化剂在水溶性、稳定性和生物相容性等方面也还存在一定的问题。同时，目前CuAAC反应的多相催化剂很少能满足在亚细胞细胞器中进行催化药物合成的要求。

【成果简介】

最近，中国科学院长春应用化学研究所的曲晓刚研究员（通讯作者）团队报道了一种在金属-有机骨架上构建的非均相的铜催化剂。该铜催化剂可以优先在具有高催化活性的活细胞线粒体中积累，作者已通过体内肿瘤治疗实验进行证明。同时，该系统也可以通过线粒体中的位点进行特异性的CuAAC反应，以实现局部的药物合成，并且可以广泛的用于合成具有良好生物相容性的多种药物。更为重要的是，由于是在亚细胞中进行局部的药物合成，很好的避免了毒性分子的递送和分布的问题。同时，作者利用体内肿瘤治疗实验，发现局部合成的白藜芦醇衍生物显示出了更好的抗肿瘤功效，并明显的降低了药物的副作用。这对于减少药物输送和分配中发生的多种副作用至关重要。研究成果以题为“Biocompatible Heterogeneous MOF-Cu Catalyst Used for In Vivo Drug Synthesis at Targeted Subcellular Organelles”发布在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文解读】

图一、构建靶向线粒体的CuAAC反应催化剂和亚细胞器下原位药物合成
（a）研究中使用的锆金属-有机骨架（MOF）、Cu-组合的MOF材料（MOF-Cu）和TPP改性的催化剂（MOF-Cu-TPP）；

（b）细胞内生物正交反应用于MOF-Cu-TPP催化的线粒体下的原位药物合成。

图二、MOF-Cu纳米催化剂的体外催化实验和检测
（a）MOF-Cu催化香豆素叠氮和苯乙炔生成香豆素荧光分子的1, 3-偶极环加成反应的示意图；

（b）没有（黑线）和有（红线）MOF-Cu催化剂的点击反应的荧光光谱和相应的实验荧光照片（插入照片）；

（c）在没有催化剂的反应的不同时间（0-120 min）下荧光光谱的变化；

（d）有MOF-Cu催化剂的反应的不同时间（0-120 min）下荧光光谱的变化。

图三、 铜催化剂催化的活细胞中的点击反应
（a）MOF-Cu催化香豆素叠氮与苯乙炔在活细胞中的点击反应示意图；

（b）分别用流式细胞术分析荧光变化、对照(单细胞)、单细胞MOF-Cu、前体1 (2)和前体MOF-Cu

（c）未经(A-C)和有(D-F) MOF-Cu催化剂处理MCF-7细胞的荧光图像。

图四、制备的靶向性铜催化剂在线粒体中原位合成白藜芦醇衍生物
（a）线粒体中白藜芦醇衍生物的原位合成示意图；

（b） 低浓度下的化合物4和化合物5在MCF-7细胞中的毒性实验；

（c）MOF-Cu-TPP催化剂催化原位合成化合物6与药物分子单体的毒性对比；

（d）用DCFH-DA探针流式细胞术分析反应发生时细胞内氧化应激的积累情况；

（e）流式细胞术分析Annexin V-FITC和碘化丙钠双染色对MCF- 7细胞凋亡的影响。

图五、秀丽隐杆线虫模型中发生的点击反应
（a） 设计的秀丽隐杆线虫中催化剂催化的点击反应示意图；

（b）加或不加催化剂的N2野生型毒株蠕虫生存分析曲线；

（c）秀丽隐杆线虫中生成荧光分子的蓝色荧光图像。

【小结】

综上所述，作者首次成功构建了线粒体靶向多相催化剂，并展示了其在肿瘤治疗中的应用效果。所设计的催化剂具有较高的催化活性、稳定性并且可以重复的使用。该催化剂可激活原荧光团，并在线粒体中进行局部的药物合成。从亚细胞细胞器中的惰性前药原位合成活性药物，具有在最小化的药物毒副作用和最大化治疗效果。同时，利用秀丽隐杆线虫的体内实验证明了所设计的催化剂具有良好的生物相容性，同时局部合成的白藜芦醇衍生物具有较好的抗肿瘤作用。该工作为减少药物递送和分布过程中出现的多重副作用提供了新的策略。

文献链接：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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