JACS：基于生物正交反应的“搭积木”式构建多功能近红外荧光探针的新方法

由于近红外光 (NIR) 相比可见光相比具有组织穿透深度大、受生物自发荧光干扰小等特点，近红外荧光探针被广泛应用在深层组织及活体荧光标记或针对不同生物靶标的活体成像研究中。但由于近红外染料化学结构的不稳定性，构筑带有不同的功能单元，如靶向基团、生物大分子、多模态成像基团等，同时具有近红外荧光成像能力的复杂探针分子具有很大的合成挑战性。生物正交反应不仅条件温和、与大部分活性官能团具有很好的相容性，而且通常反应迅速、产率高。开发基于生物正交反应的“搭积木”式合成策略，可使得具有多种成像及生物功能的复杂探针分子无需复杂的有机合成操作，仅通过简单的模块拼接方法即可方便高效地构筑，并可实现不同功能模块的灵活组合。

近日，南京大学化学化工学院张艳教授（点击查看介绍）课题组基于生物正交反应中常用的点击反应，以一类近红外荧光分子作为骨架，开发了一种快速拼接多种功能模块、用以构筑多功能近红外荧光探针分子的绿色便利方法，实现了“一锅三步”的点击反应组合法快速构建多种近红外荧光探针。联合南京大学化学化工学院叶德举教授课题组，该团队用这种新方法构筑了带有两个靶向肿瘤配体、且带有¹⁸F成像基团的近红外探针，用于小鼠活体水平的NIR/PET双模态成像。在该方法中使用的核心分子骨架C-PC-NIR 是基于广泛使用的近红外荧光染料IR780设计的，其中两个吲哚环上连出两个末端炔基 (Clickable handle)，共轭双键骨架上带有一个可被叠氮基团快速亲核取代的氯原子作为潜在的点击反应位点(Pre-clickable handle)（图1）。探针构筑首先从叠氮与端炔的“点击反应”入手，C-PC-NIR中的末端炔基可以通过“点击反应”与含有叠氮基的功能基团（R1）快速、准确地反应，基本无明显的副反应；同时在点击反应的温和反应条件下近红外荧光骨架上的氯不会受到干扰，保持惰性。第一步反应完成后无需分离纯化产物，第二步反应只需加入适当过量的叠氮化钠，即可实现近红外骨架上的氯被叠氮基团快速、高效取代，产生新的点击反应位点。随后，在第三步反应中，只需向第二步反应完成后的混合液中加入略过量的含端炔功能基团（R2），并补加少量点击反应催化剂，即可快速引发第二次点击反应，向近红外探针中引入第三个功能单元，从而完成具有多个功能基团的近红外荧光探针的构筑。整个反应过程都是在一个反应体系中连续进行，省去了繁杂的中间体后处理和纯化过程，大大提高了近红外荧光探针的构建效率。

图1. 近红外荧光骨架的结构以及“一锅三步串联点击反应”的原理示意图。

通过这种简单高效的探针构筑策略，该团队以较高的产率（最高可达~90%）构建了含有不同电性、含有不同数量靶向基团（c-RGD）的近红外荧光探针并且成功实现了对一些生物大分子（如核酸、抗体等）的多功能近红外荧光标记。文中利用该策略构建的肿瘤靶向的NIR/PET双模态探针¹⁸F-NIR-cRGD2显示 (图2)，整个探针构建过程不超过60分钟，这对于构建含有短寿命放射性核素的多模态近红外荧光探针十分重要。该合成策略可以通过温和的“点击反应”和亲核取代反应灵活的将不同的生物功能分子或成像基团整合到一个近红外荧光骨架中，对于构建复杂的多功能、多模态近红外荧光探针具有重要的应用价值。

图2. （a）肿瘤靶向的NIR/PET双模态探针的合成过程示意图。（b）反应前后放射性HPLC监分析。小鼠U87MG移植瘤的（c）PET成像和（d）近红外荧光成像。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是南京大学的王宇琦博士，通讯作者为张艳教授。该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划培育项目及面上项目、科技部重点研发计划项目及南京大学的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

NIR Scaffold Bearing Three Handles for Biocompatible Sequential Click Installation of Multiple Functional Arms

Yuqi Wang, Jianhui Weng, Jianguo Lin, Deju Ye, Yan Zhang

J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 2787-2794, DOI: 10.1021/jacs.9b10467

导师介绍

张艳

https://www.x-mol.com/university/faculty/11584