一直以来,过渡金属催化反应都在试管或者烧瓶中完成。但是现在有研究人员在小鼠体内成功进行了金催化反应,当然,他们的目的并不是拿到纯的产物,而是对小鼠特定器官的成像。他们希望相似的反应可以最终应用在体内器官靶向的药物合成。
体内金属催化反应并不好控制,金属催化对空气及水一般都很敏感,活体内的细胞环境又相当复杂,很容易出现问题。目前报道的体内金属催化反应一般是在体外培养的细胞内进行,最复杂的系统是斑马鱼胚胎。近日,来自日本理化研究所的Katsunori Tanaka教授及其同事更进一步,将对空气、水均不敏感的金催化剂接在两种载体蛋白上进行体内催化反应,成功解决了催化对空气及水敏感这个问题。当被注射到小鼠静脉中后,蛋白可以将金催化剂输送到靶向器官(比如肝脏和肠道),随后催化剂可以催化随后注射的炔丙基酯与周围的蛋白质氨基反应形成酰胺键。而炔丙基酯上带有荧光标记,这样就能对靶向器官进行无创成像。相关研究成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.,这应该是过渡金属在活体特定器官中催化反应的首次报道。
图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
该小组此前的研究表明N-糖化白蛋白可在特定器官富集,如静脉注射后30分钟内,α(2-6)二唾液酸糖化白蛋白可以特异性富集在肝脏,而半乳糖化白蛋白可以快速转输到肠道并滞留于此。基于此,他们研究了这两种糖蛋白是否可以携载生物相容性金催化剂富集在相应器官中并进行催化反应。
图1. 体内金催化原理及操作示意图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
通过一个短的聚乙二醇偶联分子,他们将7-(二乙胺基)香豆素与水溶性环金属化AuⅢ复合物催化剂(可以催化炔丙基酯和氨基反应形成酰胺键)键合在一起,再利用7-(二乙胺基)香豆素与白蛋白的IB结构域之间的高亲和力,将金催化剂与α(2-6)二唾液酸糖化白蛋白或半乳糖化白蛋白结合在一起,分别形成了Glyco-Au复合物,称为Glyco-Au (Sia)和Glyco-Au (Gal)。
他们首先研究了糖蛋白与Glyco-Au的结合,此前已有研究表明香豆素衍生物与白蛋白结合后荧光会增强,因此他们比较了Glyco-Au (Gal)、未糖化的白蛋白与金催化剂的复合物Glyco-Au (native)与香豆素-Au键合物的荧光强度,结果发现Glyco-Au (Gal)、Glyco-Au (native)中香豆素的荧光强度强于香豆素-Au键合物,同时Glyco-Au (Gal)和Glyco-Au (native)的荧光强度无明显差别,这表明糖基化修饰不会破坏蛋白结构域或者影响IB结构域与香豆素的结合(图2A)。
图2. 复合物形成及催化效率检测。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
接下来他们研究了Glyco-Au复合物的催化效率,通过将羧基四甲基罗丹明炔丙基酯(TAMRA-OProp)与Glyco-Au (Gal)或者单纯的糖蛋白共孵育,他们发现Glyco-Au (Gal)与TAMRA-OProp的结合导致荧光强度随时间慢慢增强,这意味着金催化酰胺键的反应成功进行(图2B)。通过MALDI-TOF检测,发现20小时后每个蛋白上大约接枝有6个TAMRA分子。
为了研究这种复合物是否可以在活体中特定器官完成催化反应形成酰胺键。研究人员先通过尾静脉给小鼠注射了Glyco-Au (Sia)和Glyco-Au (Gal),同时给对照组小鼠注射不含金的糖化白蛋白(Glycoalbumin (Sia)),30分钟后再给小鼠注射Cy7.5-OProp,2小时后通过活体成像系统对小鼠全身进行成像,结果发现注射不含金糖化白蛋白的小鼠体内的Cy7.5很快分布到全身各处,各脏器差异不明显。而注射Glyco-Au (Sia)和Glyco-Au (Gal)的小鼠体内的肝脏和肠道荧光强度显著增强。
图3. 小鼠活体成像。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
通过对注射Glyco-Au (Sia)和TAMRA-OProp的小鼠肝脏组织切片进行观察,研究人员发现荧光主要分布在肝脏中央静脉周围,而研究已经表明此处细胞会表达去唾液酸糖蛋白受体,会结合α(2-6)二唾液酸糖化白蛋白。这表明这种系统确实可以在体内靶器官中的靶部位完成催化反应。
图4. 小鼠肝脏切片成像分析。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
研究人员目前正在寻找可以将催化剂输送到更多靶器官甚至肿瘤中的载体蛋白质,以期在相应器官中利用金属催化反应合成或者激活药物。
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In Vivo Gold Complex Catalysis within Live Mice
Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201610273
部分内容编译自: https://www.chemistryworld.com/news/protein-bound-gold-enables-in-mouse-catalysis-/2500431.article
(本文由瀚海供稿)
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