JACS：一种新型的含硅硫醇特异性生物偶联剂

导读

近日，新加坡南洋理工大学与河南工业大学的Teck-Peng Loh与贾振华课题组开发了一种新型的含硅生物偶联剂（bioconjugation reagent），其可与硫醇进行选择性反应。硅的加入显著提高了化学选择性并抑制了逆向的过程，从而超过了传统试剂的能力。该方法用途广泛，可与各种硫醇和不饱和羰基化合物兼容，具有中等至优异的收率。这些反应可以在生物相容性条件下进行，从而使它们适合于蛋白质的生物偶联。所得的偶联物（conjugates）在各种生物分子存在下表现出良好的稳定性，表明了它们在合成抗体-药物偶联物方面具有潜在的应用前景。此外，偶联产物中硅单元的存在为药物释放和无机物与其他学科的衔接开辟了新的途径。这类新型的含硅硫醇特异性（silicon-containing thiol-specific）生物偶联剂对从事生物分析科学和药物化学工作的研究人员具有重要意义，并为推进生物偶联研究和药物化学领域带来了创新的机会。文章链接DOI：10.1021/jacs.3c12050

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

正文

近年来，利用递送系统（delivery system）进行靶向治疗的生物疗法获得了极大的关注，抗体-药物偶联物（ADCs）是治疗各种癌症的主要例子。目前，化学家们已经开发了许多硫醇的偶联方法（Figure 1A）。其中，马来酰亚胺−硫醇点击反应得到了广泛地使用。不稳定的硅氧键在酸性或氟化物条件下很容易断裂，可用作羟基的保护基团、癌细胞中药物释放的牺牲基团等。代表性的含硅药物包括Sila-haloperidol、p38 MAP激酶抑制剂和血管紧张素转化酶抑制剂等（Figure 1B）。近日，新加坡南洋理工大学与河南工业大学的Teck-Peng Loh与贾振华课题组开发了一种简单实用的硫醇特异性偶联的方法，其中使用β-硅基不饱和羰基化合物作为硫醇特异性点击试剂（Figure 1C）。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，作者以1-苯基-3-(三甲基硅基)丙-2-烯-1-酮1a与4-甲基苯硫酚2a作为模型底物，进行了相关偶联反应条件的筛选（Table 1）。当以Tris-HCl/CH3CN（比例为9:1）作为混合溶剂，在37 oC反应5 h，可以80%的收率得到产物3。

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同时，当以α,β-不饱和酰胺1b和α,β-不饱和酯1c作为模型底物时，反应未能生成目标产物（4和5），从而表明羰基单元对硫醇特异性点击反应至关重要（Figure 2）。

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在获得上述最佳反应条件后，作者对底物范围进行了扩展（Figure 3）。首先，一系列不同电性取代的硫酚、杂芳基硫酚与烷基硫醇，均可顺利反应，获得相应的产物3-18，收率为42-80%。其次，不同取代的β-硅基烯酮，也是合适的底物，获得相应的产物19-33，收率为44-74%。此外，当以三乙基硅烷（TES）和三(异丙基)硅烷（TIPS）取代三甲基硅烷时，反应性削弱，分别以40%和35%的收率得到产物34和35，这可能是因为空间位阻增加导致。利用具有两个β-TMS烯酮取代的底物1n，可以71%的收率得到产物36。氢化硅烷基团也是相容的，可以74%的收率得到产物37。然而，苄基硅氧烷取代的底物，需反应24小时，可以30%的收率得到产物38。

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紧接着，作者对反应的实用性进行了研究（Figure 4）。化合物3在LAH/THF条件下进行还原反应，可以90%的收率得到醇化合物39，dr为53:47，同时保留TMS基团。化合物3在m-CPBA/DCM条件下进行氧化反应，可以73%的收率得到化合物40。

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此外，作者还反应的化学选择性和产品的稳定性进行了研究（Figure 5）。首先，在2-苯乙基硫醇2b和2-苯乙基胺2c之间的竞争性实验中，仅获得硫醇偶联物，从而证实了该TMS-烯酮试剂对硫醇的特异性反应性。然而，在没有TMS基团的情况下，1d可同时与2b和2c进行反应，表明了添加含硅基团可以降低酮的亲电性并提供高的硫醇选择性（Figure 5A）。其次，当在其它的亲核氨基酸存在的情况下，1a与2b仍然能够顺利进行反应，仅获得硫醇偶联产物（Figure 5B）。同时，克级规模实验（10 mmol），同样可以92%的收率得到产物45（Figure 5C）。此外，化合物45在不同的溶液中以及在内源性分子存在下，均具有良好的稳定性（Figure 5D和Figure 5E）。同时，二阶速率动力学常数计算为0.31 M−1 min−1（Figure 5F）。

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最后，作者对含有硫醇的生物分子进行了修饰（Figure 6）。研究表明，1-Mercaptopyrene、N-Boc半胱氨酸甲酯、1-硫代-D-葡萄糖乙酸酯、降压药卡托普利（Captopril）、谷胱甘肽衍生物和微管蛋白抑制剂Mertansine衍生的硫醇，均可与1a顺利进行反应，获得相应的产物46-51，收率为40-84%。同时，为了验证半胱氨酸在含有多个亲核氨基酸侧链的肽中的专一选择性，将三(2-羧乙基)膦（TCEP）-修饰的兰瑞肽（lanreotide）作为底物与1a进行偶联。LC-MS/MS分析显示，只有半胱氨酸进行了偶联修饰，而其他的亲核氨基酸，如苏氨酸、赖氨酸、色氨酸、酪氨酸和末端胺，几乎没有受到影响。

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总结

新加坡南洋理工大学与河南工业大学的Teck-Peng Loh与贾振华课题组发现β-硅基烯酮可以作为一种新型的硫醇特异性生物偶联剂。硅官能团的引入显著提高了硫醇的化学选择性并抑制了逆向的过程，从而超过了常见的α,β-不饱和羰基Michael受体。该反应在生物相容性条件下也能顺利进行，这使其适合于蛋白偶联（protein conjugation）。所得偶联产物在各种生物分子存在下是稳定的，这为抗体-药物偶联物的合成提供了潜在的应用。偶联产物中的硅单元也可用于药物释放或桥接无机学科和其他学科。该发现将引起生物分析科学和药物化学领域研究人员的注意，并为探索生物偶联研究开辟新的途径。

文献详情：

Zhenguo Zhang, Lanyang Li, Hailun Xu, Chi-Lik Ken Lee, Zhenhua Jia,* Teck-Peng Loh*. Silicon-Containing Thiol-Specific Bioconjugating Reagent. J. Am. Chem. Soc.2024, https://doi.org/10.1021/jacs.3c12050

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