什么是点击化学？

点击化学是2001年诺贝尔化学奖得主K. Barry Sharpless提出的一系列反应，其核心是开发出一整套基于CXC的含杂原子的连接单元。组合化学新方法利用少量简单、可靠、高选择性的化学转化来获得更广泛的分子多样性。

点击化学的原理是在一定的环境条件下（温和、有水），一对官能团快速、选择性地相互反应（“点击”）。也就是说，两个相容的点击功能基团A和B被激活，激活的两个分子形成稳定的偶联体。

常见的点击化学反应

自2001年点击化学被提出以来，点击化学已广泛应用于合成化学、生物靶点、药物设计、ADMET、酶学研究、基因组学、蛋白质组学和免疫学等多个领域。

蛋白质的二级结构，特别是α-螺旋和β-折叠，是生物相互作用的关键。利用点击化学使非天然氨基酸侧链上的叠氮基与炔基或氰基形成的五元杂环，可以达到稳定多肽中此类二级结构的目的，从而提高其生物活性例如，经过分子模拟优化后，此类杂环结构已成功应用于生物分子cJun（转录过程中的一种α-螺旋）。来源二聚体）和抗菌肽。

基于活性的蛋白质分析（ABPP）是研究重要药物靶蛋白结构和功能的主要方法之一。它是利用活性位点导向探针研究蛋白质结构和功能的新技术。采用相对简单明了的方法，在分子和细胞水平上研究活性小分子与生物大分子之间复杂的相互作用，从而从分子水平揭示生物体在生理或病理条件下的关键调控机制。 Cravatt 和他的合作者通过点击化学将活性位点定向探针与蛋白质连接起来，从而能够实时观察细胞环境中蛋白质活性的变化。

点击化学可分为两类：

1.铜催化反应的类型

铜 (I) 催化的叠氮化物-炔点击化学反应 (CuAAC)

特征

1）小叠氮化物和炔烃具有优异的底物性质
2）测试适用条件的优化（类型和铜源、还原剂和铜配体）
3）适合不干扰铜毒性的实验（不推荐用于体内或体内）活细胞标记）
4）反应速度最慢（与其他两种反应相比）

2.无铜反应型

力诱导叠氮-炔基偶联反应（应变促进叠氮-炔点击化学反应，SPAAC）

特征

1）小分子叠氮化物的检测比CuAAC更快
2）不需要铜离子，无毒
3）没有催化剂或配体，因此不需要大量的条件优化

四嗪反式环辛烯连接 (TCO)

点击化学特征

1）快速点击化学反应，适合体内细胞标记和低浓度反应。
2）无需铜离子，无毒

点击化学在生物医学中的应用

什么是点击化学和生物正交化学？

点击化学：一种基于杂原子连接（CXC）快速有效合成有用新分子的化学合成方法。 [1]

生物正交化学：利用点击化学原理在生命系统内部发生的化学反应，而不干扰天然生化过程。

2001年，对自然界最喜欢的分子的研究表明，与碳-碳键相比，分子更倾向于形成碳-杂原子键。 “点击化学”概念的灵感来自于核酸、蛋白质和多糖是通过碳-杂原子键结合在一起的缩合聚合物。点击化学是一种化学合成方法，可以快速有效地合成基于碳杂原子连接 (CXC) 的有用新分子。

在此之前，化学合成复杂、困难，但收率低。直到第一代点击化学，一价铜催化的叠氮化物-炔环加成（CuAAC）反应被提出，复杂的反应开始通过以图案化反应方式构建功能分子来简化。然而，铜催化剂的细胞毒性限制了CuAAC反应在体外和体内的应用。

此后，化学家发现了一种应变促进的炔烃-叠氮化物环加成（SPAAC）反应，该反应无需细胞毒性铜催化剂即可发生叠氮化物-炔烃反应。该反应已用于在体外和体内标记细胞表面的糖蛋白，没有明显的细胞毒性。

然而，一些化学家对SPAAC的二级反应速率常数并不满意。因此，布莱克曼等人。开发了s-四嗪和反式环辛烯 (TCO) 衍生物的环加成反应之间的逆电子需求狄尔斯-阿尔德 (iEDDA) 反应，可产生比 SPAAC 反应更快的无铜点击化学反应。

图2. 目前使用的点击化学反应的特点，来源：参考文献[3]

点击化学在生物医学中的应用

点击化学在生物医学研究领域取得了重要进展，特别是无铜点击化学，包括 SPAAC 和 iEDDA 反应。在体外研究中，点击化学可以对细胞靶蛋白进行特异性标记，并研究药物靶标与活细胞中药物替代物的相互作用。此外，细胞膜脂质和蛋白质可以在体外选择性标记，并且细胞可以通过点击化学连接在一起。在体内研究中，点击化学使分子成像和药物输送能够高效且有效地进行诊断和治疗。 [3]

接下来，我们介绍点击化学在生物医学研究中的几个具体应用。

用于荧光成像的点击化学

无铜点击化学最有趣的应用之一可能是细胞内感兴趣的目标 (TOI) 蛋白质的荧光成像。 [3]特别是在 iEDDA 反应中，可以使用 TCO-配体缀合物以及随后含有 Tz 的荧光团 (FLTz) 的处理成功地观察活细胞中的先天 TOI 蛋白。

例如，临床药物AZD2281与TCO结合开发了用于研究PARP1蛋白（已知是DNA修复的重要细胞蛋白）的生物探针。 TCO 与抗癌剂紫杉醇偶联，并使用紫杉醇-TCO/Tz-BODIPY FL 组合成功地实现了细胞内微管蛋白的可视化。后来的多配体-TCO 缀合物，如 BI2536、Foretinib、Dasatinib 和 Ibrutinib，也被用于开发靶向各种 TOI 蛋白，如 Polo 样激酶 1 (PLK1)、MET 和 BTK 蛋白。 [3]

图 3. MDA-MB436 细胞中 AZD2281-TCO 和 Texas Red-Tz 之间的无铜点击反应。来源：参考文献[3]

靶向药物输送中的点击化学

点击化学已成为生物体研究中药物靶向递送的强大化学工具。点击化学的快速二阶反应速率常数、简单性和正交性可用于聚合物合成或药物载体开发过程中生物配体的位点特异性修饰。例如，2012 年，Koo 和 Lee 等人。提供证据表明体内点击化学可用于纳米颗粒递送。在该研究中，将负载 Ac4ManNAz 的纳米粒子对肿瘤细胞进行叠氮基标记，并使用含有光敏剂的 DBCO 修饰纳米粒子进行二次肿瘤靶向，依次注射到小鼠体内，叠氮基和 DBCO 之间的 SPAAC 增强了肿瘤靶向性。 [3]

图 4. 点击化学在肿瘤靶向药物递送中的应用。来源：参考文献[3]

基于点击化学的 ADC 合成

Cu(I) 催化的炔烃叠氮环加成反应 (CuAAC) 在抗体药物偶联物 (ADC) 的合成中具有巨大潜力[4]。研究人员现已设计出高效且经济高效的基于 CuAAC 的 ADC 偶联方法，并证明可以快速合成 ADC，从而促进了 GlycoConnect 偶联技术的发展。 GlycoConnect 使用天然糖基化位点实现靶向缀合，并且可以在短短几天内将单克隆抗体转化为稳定的缀合 ADC。该技术基于两个过程：首先是酶促重塑（用叠氮化物进行修饰和标记），然后是基于无铜点击化学的有效负载连接。 Synaffix 已与多家公司合作开发其下一代 ADC 技术平台，其中包括 GlycoConnect。

图 5. 根据许可协议开发的下一代 ADC

ADC Therapeutics 是较早获得 Synaffix ADC 平台技术的公司，也是目前使用该技术开发的产品数量最多的代表，其中ADCT-601已处于临床研究阶段。 [5] 目前，ADC Therapeutics 在实体瘤领域的公开产品 (3/5) 正在使用 Synaffix 的 ADC 技术。

图 6. ADC 治疗产品线

图 7. ADCT-601 的结构

基于点击化学的PROTAC合成

由于反应条件较温和且效率较高，点击化学常用于PROTAC分子的连接体中以连接分子的两端。瑞安·P·伍尔兹 (Ryan P Wurz) 等人展示了这种方法与溴结构域和末端结构域 4 (BRD4) 配体 JQ-1 (3) 以及针对 cereblon (CRBN) 和 Von Hippel–Lindau (VHL) 蛋白的连接酶结合剂的实用性 [6]。

图8.基于Click Chemistry的PROTAC合成，来源：参考文献[6]

基于点击化学的诊断

点击化学还可用于开发用于了解组织发育、疾病诊断和治疗监测的分子工具。许多癌症将膜结合微泡 (MV) 释放到外周循环中，对胶质母细胞瘤 (GBM) 等 MV 进行分析是一种很有前景的疾病诊断方法。例如，李等人。报道了一种结合 iEDDA 型点击化学和小型微核磁共振 (μNMR) 的微流体系统，用于分析 GBM 患者血液中的 MV [4]。

图 9. 单击“基于化学的诊断”。来源：参考文献[3]

概括

点击化学和非铜生物正交反应在生物医学研究领域取得了重要进展。点击化学可以对细胞靶蛋白进行特异性标记，并可用于将细胞粘附在一起，还可以实现高效且有效的分子成像和药物递送，以用于诊断和治疗目的。点击化学还可用于开发DNA纳米催化剂、基因组DNA化学合成、辅助CRISPR-Cas基因编辑、ADC和PROTAC合成等分子工具。总体而言，点击化学已成为生物医学领域和生物医学领域的重要工具。有机化学。

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“总有机碳”到底是什么意思？

任何化学家都可以告诉你，在元素周期表上的所有元素中，碳是特殊的。碳是可以形成几乎无限数量的化合物的元素，因为每个碳原子可以与其他原子形成四个化学键，而且碳原子的大小正好适合非常大的分子的部分。
由于这种能力，18世纪早期的化学家意识到非生物（岩石、矿物、气体等）的化学相对简单；然而，生物的化学成分要复杂得多（参见下图，与血红蛋白相比，简单的无机分子水、氨和二氧化碳）。因此，当指代源自生物体的化学时，应用术语“有机”化学。碳的化学是如此庞大和复杂，以至于在 化学学科中 ，碳的研究有自己的分支，称为 有机化学。

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