先导科普荟 | 生物偶联技术在药物开发中的应用 发布时间：2024-06-06

生物偶联技术背景介绍

生物偶联（bioconjugation）是将两个分子（至少其中之一为生物大分子）共价连接的化学策略和方法。在过去的100多年间，研究人员一直在通过化学反应将合成的功能性基团结合到蛋白或其他生物分子上，以此来进行多种科学研究。这其中包括酶的催化机制研究、在细胞中跟踪蛋白，以及制备亲和力色谱等。¹ 近年来，生物偶联技术发展更为迅猛，在科研和药物工业上均取得了丰硕成果。2022年，Carolyn R. Bertozzi因在生物正交反应的开发应用上的突出贡献而与K. Barry Sharpless和Morten Meldal共享了该年度的诺贝尔化学奖。其开发的生物正交的1,3-偶极环加成反应已广泛应用于生物偶联技术。而在药物工业方面，核酸药物共聚物和抗体偶联药物（ADC）的成功也证明了该项技术的巨大价值与潜力。

生物偶联的应用

基础研究

Bertozzi课题组在2009年报道了如何利用生物正交的1,3-偶极环加成反应将非核糖体肽生物合成路径中关键蛋白的结构域进行偶联，提供了蛋白-蛋白相互作用的证据，且为未来缺乏功能性测试的该生物合成路径提供了理想的化学生物学工具²。

药物递送

目前已上市的的6款siRNA药物中，除Onpattro使用了LNP包裹的递送方式，其余5款均采用了与GalNAc偶联的递送策略。此外，早研阶段的siRNA所采用的偶联实体较为多样，包括抗体、适配体、小分子（胆固醇，亲脂碳链）、多肽等（图1）。偶联实体类型的选择主要考虑递送的靶向性、效率，以及实体的药代动力学表现和整体稳定性。采用生物偶联的递送方式的优势主要包括：（1）药物分子是一个全新的化学实体；（2）更为简单明确的药物成分；（3）药物终产品以化学合成方式完成。以上特点使得生物偶联能避免多组分的制剂所需要的复杂表征。同时，与核酸偶联的分子实体的多样性可以供开发人员用来调节药物的靶向性和药代属性。

荧光标记

将荧光分子与siRNA偶联，通过荧光标记，可以通过检测荧光信号考察它在动物体内的分布情况。例如，2023年报道的靶向KRAS的siRNA在小鼠体内实验中的抗癌研究中，通过荧光分子（Cy5和Cy7）与siRNA的偶联体后的荧光信号检测考察递送体系的效率与siRNA的胞内跟踪³。

图1：siRNA与其代表性偶联实体

生物偶联的反应类型

用于偶联反应的化学类型与偶联物的官能团相关。氨基存在于天然氨基酸中赖氨酸的侧链，也是药物及药物中间体常见的官能团。基于氨基的偶联反应有：与琥珀酰亚胺活化酯反应成酰胺；与异氰酸酯反应成脲或与硫代异氰酸酯反应成硫脲；以及与酰氟反应成酰胺等。巯基存在于天然氨基酸丝氨酸的侧链。基于巯基的偶联策略有：与马来酰亚胺的麦克加成或与a-碘代酰胺反应成硫醚；以及与二硫醚中间体的反应形成新的二硫醚键，从而得到最终偶联物。

叠氮结构一般通过化学反应引入到生物大分子上或代谢工程的方式引入到细胞内的特定分子结构中。常用策略有：叠氮-炔基的环加成反应，该偶联反应可通过金属催化或炔基张力促进等方式进行；Staudinger ligation于2000年由Saxon和Bertozzi报道，是广泛应用于生物正交偶联的策略之一。此外，还有诸多可用于生物偶联的策略，如双烯体和亲双烯体之间的狄尔斯-阿尔德反应等，本文在此不做详细阐述。

图2：基于官能团的生物偶联反应

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参考文献

[1] Francis, M. Updating the bioconjugation catalog. Nat Chem Biol 4, 717 (2008).

[2] Chemistry & Biology 16, 372–381

[3] ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 31273−31284