科学家开发新型点击化学反应，突破二硫键高效合成技术瓶颈，正探索将其用于骨修复和脊髓修复

科技 2024-11-13 22:06 北京

近日，中国农业大学安杰教授和团队开发出一种点击化学反应，能将硫醇转化为二硫化物，并能满足点击化学的严格标准，突破了现有二硫键高效合成的技术瓶颈。

图 | 安杰（来源：安杰）

这一点击化学反应有望促进基于二硫键的药物分子、药物递送体系和新型高分子生物材料的开发。

预计其将在新材料研发和按需药物递送两个领域发挥应用价值。

在新材料研发上，动态二硫键被广泛应用于自修复材料和生物可降解材料的开发。本方法凭借其高效性和高选择性，能够合成多种含二硫键的聚合物，甚至可以通过二硫键的形成实现材料的原位交联。

在研究中，课题组展示了该反应在水凝胶快速原位成胶中的应用——这种水凝胶能够在猪皮上迅速成型，并表现出 42.5kPa 的组织黏合强度。

图 | 新型点击化学反应在原位凝胶化中的应用（来源：Nature Communications）

在按需药物递送上，细胞穿透性聚二硫化物已经被证明可以通过巯基介导的摄取途径，将药物、核酸和蛋白质有效递送至细胞内部。

此外，作为抗癌治疗的一种重要工具，抗体-药物偶联物可谓广受关注，其中二硫键作为连接子中的主要化学可裂解基团发挥着关键作用。

而本项研究有望显著提高细胞穿透性聚二硫化物和基于二硫键的抗体-药物偶联物的合成效率，甚至能够实现传统方法难以合成的结构，从而推动药物递送技术的进步。

图 | 二硫化物和聚二硫化物的应用实例（来源：Nature Communications）

一个化学反应的“既要”和“又要”

据安杰介绍，该团队的经费主要来源于工业界，因此他们的研究往往从实际的产业需求出发。

2019 年启动本次课题时，他们关注的两个核心问题分别是：一，开发聚合物微球水分散体的原位交联技术；二，开发高效构建小分子库的合成技术。

首先，对于聚合物微球水分散体的原位交联技术来说，它的目标应用是打造自干型的双组分水性涂料。

当前市场上最常见的固化剂是 HDI（1,6-diisocyanatohexanehexamethylene diisocyanate，六亚甲基二异氰酸酯）三聚体，尽管这种涂料相比溶剂型涂料更环保，但是异氰酸酯基团易与水发生副反应，以至于会限制相关应用的推广。

因此，该团队希望实现一种能够高效构建共价键的反应，它不仅可以在常温下于水中进行，还不会产生有毒副产物。

其次，构建生物活性小分子库，对于分析分子结构-活性关系来说至关重要，同时这也是优化生物活性分子的基础。在药物研发中，成功率往往依赖于效率。

尽管高通量筛选技术已经取得进展，但高通量合成仍是一个挑战。高效的共价键构建策略以及廉价易得的原材料，是实现这一目标的两大关键。

虽然这两个研究方向看似不相关，但它们都需要一种能够高效构建共价键的化学策略，而且必须满足原料廉价、原料易得、毒性较低的工业化要求。

“就像小朋友在沙滩上发现贝壳一样”‍

在点击化学概念的启发之下，他们决定尝试使用磺酰氟和亲核能力更强的硫醇作为反应原料来构建共价键。

最初，课题组期望通过这种反应生成硫代磺酸酯，然而实验结果十分出人意料：尽管反应物被迅速消耗掉，但却没有生成预期产物，而是接近 100% 地转化为二硫化物。

图 | 硫醇为前体合成二硫化物的传统方法及新型点击化学反应（来源：Nature Communications）

后来，他们发现磺酰氟确实能与硫醇发生快速反应，从而生成硫代磺酸酯。但是，硫代磺酸酯却会以更快的速度与另一分子硫醇反应生成二硫化物。

事实上，这种通过亲核取代级联反应、来将硫醇氧化为二硫化物的策略此前已有报道。而当使用磺酰氯的时候，也可以通过类似的反应路径来将硫醇转化为二硫化物。

考虑之后，该团队认为虽然使用硫醇合成二硫化物的方法已经有很多，但是当选择性和反应速度开始大幅提升时，很有可能起到从量变到质变的效果。

而一个具有近乎完美的反应速度和化学选择性的二硫键合成反应，很有希望能够实现传统反应所无法实现的应用。

后续实验也证实了他们的判断：这一反应的效率极高，化学选择性几近完美。在这个反应的帮助之下，课题组首次通过硫醇氧化策略，实现了聚二硫化物的合成和原位水凝胶的制备。

安杰表示，该反应具有广泛的底物适用性、高收率，无论是采用有机介质还是水介质，均可以在温和条件下进行，符合点击化学的特点。这让它能够用于构建对称和非对称二硫键，并能扩展到聚二硫化物的合成。

论文审稿人认为安杰等人建立的二硫键合成方法凭借其简单的反应条件、广泛的适用范围、定量的产率以及卓越的化学选择性，完全符合点击化学的严格要求。

图 | 新型流动点击化学反应装置及其应用（来源：Nature Communications）

日前，相关论文以《SO₂F₂介导的点击化学在多种反应介质中实现模块化的二硫键形成》（SO2F2 mediated click chemistry enables modular disulfide formation in diverse reaction media）为题发在 Nature Communications[1]。中国农业大学博士毕业生李恒朝是第一作者，安杰担任论文通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

科学的进步不仅依赖于严谨的规划，也源自对意外结果的敏锐发现和分析。

事实上，本次研究的最终成果和起初计划有所偏离。但是安杰表示：“这样的‘意外’也是科研工作的乐趣所在，就像小朋友在沙滩上发现闪闪发光的贝壳一样。

当然，我们也非常感谢奇点势能科技有限公司即便在知晓本项工作短期内不会产生经济效益的情况下，依然坚定地支持团队继续研究。”

目前，该团队正积极推进这项研究在生物医用材料领域的应用。如前所述，动态二硫键在生物可降解材料的开发中有着广泛应用。

此次发现的高效、高选择性的二硫键交联反应，为制备原位水凝胶提供了新的可能。

而原位水凝胶在伤口愈合、关节修复和药物递送等领域展现出巨大的应用潜力。原位水凝胶的一个关键要求是交联反应能够在室温下迅速完成。

当前，紫外光固化是最常见的成胶策略，但其局限性在于光引发剂和紫外光对生物体可能造成损害，且紫外光的穿透力有限，难以用于封闭环境，如关节腔内。

但是，本次研究发现的二硫键交联反应的速度非常快，能够接近紫外固化的成胶速度，并且相比通过碳碳键交联的紫外固化水凝胶，二硫键交联的水凝胶更易于降解，具有更好的生物相容性。

此前为了实现巯基修饰壳聚糖的原位交联，他们曾使用溶解于乙腈中的 SO₂F₂ 和三乙胺，但是这些试剂存在潜在的生物毒性。

因此，他们目前正在研究新型磺酰氟试剂和三级胺试剂，它们的毒性更低、水溶性则更好，能够进一步降低原位水凝胶的生物毒性。

此外，他们也正和复旦大学附属华山医院以及中国农业大学动物医学院的研究团队合作，旨在探索将该技术应用于脊髓修复和骨修复等领域。

参考资料：

1.Li, H., Peng, M., Li, J. et al. SO₂F₂ mediated click chemistry enables modular disulfide formation in diverse reaction media. Nat Commun 15, 8325 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-024-52606-w

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