由硼酸酯封闭的二氢四唑激活的反应性氧种生物正交化学在活体系统中的应用

将细胞应激变成精确开关

从癌症到心脏疾病，许多疾病的共同特征是细胞处于氧化应激状态，产生大量反应性氧种（如过氧化氢）。这项研究展示了化学家如何利用这种应激作为内置开关，仅在需要的部位开启强效治疗。通过设计仅在应激微环境中发生反应的药物成分，研究人员的目标是杀死肿瘤细胞或销毁有害蛋白，同时尽量避免损伤健康组织。

在背景中静默工作的化学工具

这项工作基于一个称为生物正交化学的领域，该领域开发能够在不干扰正常生物功能的情况下在生物体内运行的反应。一种常用策略使用像拼图件一样在细胞拥挤内部也能迅速结合的分子对。其中一方称为四唑，与匹配的“环”配对体（称为二烯亲核体）反应非常迅速。到目前为止，许多此类反应的控制依赖于照光或添加酶。作者则希望建立一个能“监听”人体自身化学信号的系统——特别是肿瘤与其他病变组织中异常升高的反应性氧种水平。

构建一个对ROS敏感的化学触发器

为此，团队设计了称为BTz的四唑前体，这些前体通过化学“笼”被封闭，使其在正常组织中保持静默。该笼由连接到还原态四唑的硼酸酯基团构成。当过氧化氢含量低时，BTz在水相和细胞培养中可保持稳定数小时。但当过氧化氢丰度增加——达到类似肿瘤中测得的水平时，硼酸酯基团被氧化并通过自毁序列崩解，露出活性的四唑。在试管实验中，逐步提高过氧化氢浓度会相应增加活性四唑的生成量，证实该反应既具选择性又强烈依赖剂量。

利用细胞应激破坏致癌蛋白

研究人员首先用他们的开关来控制一种现代药物策略——靶向蛋白降解。他们将BTz与沙利度胺（thalidomide）相连，沙利度胺是一种能招募负责标记蛋白以便处置的酶复合体的小分子。在癌细胞中，该BTz–沙利度胺在过氧化氢水平提高之前保持休眠，随后笼被开启形成活性四唑。该四唑随后与结合BRD4的药物上的匹配配对体迅速结合，组装出一个更大的“嵌合体”，将致癌相关蛋白BRD4拖向细胞的降解机制。在肺癌和宫颈癌细胞系中，只有在所有成分存在且有过氧化氢时，BRD4水平才显著下降；阻断反应性氧种会阻止降解，强调该过程确实由应激触发。

仅在需要处递送毒性药物

接着，团队将相同化学用于一种用于阿霉素（doxorubicin）的精准递送系统，阿霉素是一种强效但对心脏有毒的化疗药物。他们将阿霉素连接到一个受张力的环状配对体，使其被锁定为非活性的前药形式。当该前药在高过氧化氢环境中遇到BTz时，新生成的四唑与该环通过“点击释放”过程反应，将片段连接并释放出游离阿霉素。在培养皿中的结肠癌细胞中，这一两步体系在有过氧化氢存在时几乎像游离药物一样有效地杀死细胞；而在无过氧化氢时，细胞大多不受伤害。一个更简单的对过氧化氢敏感的阿霉素前药在这些测试中效率和选择性都较差，突出了将感应与释放分成两步协调动作的优势。

将化疗聚焦于肿瘤内部

在携带结肠肿瘤的小鼠中，研究人员发现肿瘤中的过氧化氢水平几乎是周围肌肉的九倍。他们按时序注入阿霉素前药和BTz，使两者均在肿瘤附近累积。化学分析显示，这些组分在血液和器官中大多消失，但在肿瘤内产生了高水平的游离阿霉素。与接受常规阿霉素的动物相比，接受激活系统治疗的动物显示出相似或更好的肿瘤缩小效果，同时保持稳定体重并避免了高剂量药物导致的严重毒性。当团队通过注射过氧化氢酶（catalase）破坏过氧化氢信号时，药物释放和肿瘤选择性聚集显著降低，证实肿瘤部位的氧化应激是关键驱动因素。

从应激信号到精确治疗

综上所述，该研究展示了一个多功能的化学平台，将疾病的标志性特征——过量反应性氧——转变为在活体系统内驱动强反应的精确控制钮。通过在遇到过氧化氢之前将活性四唑手柄锁住，该方法允许研究者仅在需要的位置在体内构建复杂治疗体系，无论是拆解促癌蛋白还是在肿瘤内释放毒性药物。由于氧化应激在衰老、炎症、糖尿病和神经退行性疾病中也扮演角色，类似的应激响应反应最终可望被改造用于许多需要精准性和安全性的疾病情境中。

引用: Ming, D., Zhang, J., Mu, B. et al. Reactive oxygen species-activated bioorthogonal chemistry in living systems enabled by boronate-caged dihydrotetrazines. Nat Commun 17, 2568 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68771-z

关键词: 生物正交化学, 反应性氧种, 四唑偶联, 靶向给药, PROTAC