研究进展：受控前药激活是提高药物递送效率和降低癌症治疗毒性的一般策略。高效的生物正交反应或点击化学的发展激发了人们对应用化学生物学方法进行前药活化的兴趣。在临床上，最先进的例子是SQP33，这是一种反式环辛烯（TCO）笼状多柔比星前药。而将细胞毒素递送到肿瘤细胞的常见方法是使用抗体-药物偶联物（ADC）。与传统ADC相比，逆电子需求Diels-Alder反应（IEDDA）激活前药的点击释放策略具有潜在优势，包括靶向非内化受体、药物开发过程中灵活调整药物抗体比例，以及在治疗过程中选择不同有效载荷的能力。据报道，其他利用生物正交反应的策略在临床应用中也具有前药激活的潜力。尽管研究人员已经取得了一些进展，但快速有效的生物正交反应是推动这一领域发展的关键。芳香族硝基的选择性还原是前药活化的一种有吸引力的策略。缺氧在大多数实体瘤中很常见，缺氧激活前药（HAP）是一类很有前途的抗癌药物，可以选择性地靶向缺氧肿瘤细胞。尽管对这类前药有广泛的研究兴趣，但迄今为止的临床应用有限。硝基还原酶的异源表达是激活硝基芳香族前药的另一种有前途的策略，尽管进入了II期临床试验，但疗效仍受到酶和整体基因转染的低效率的限制。在合成方面，还原芳香族硝基的反应通常需要使用有毒金属，该方法与生物环境不兼容。研究人员首次发现了一种针对致病性甲酸依赖细菌的金属-硝基还原酶复合物，它为抗菌化疗铺平了一条新道路，但该方法在细胞以及动物模型中的应用仍有待证明。解决方案：为了解决以上问题，作者开发了一种用于前药活化的4,4'-联吡啶介导的芳香族硝基还原反应策略。在500 μM底物浓度下，作者观察到DMSO中没有反应性，但在DMSO/H2O（1:9）中，反应结束得到接近定量的还原产物，为了进一步证实H2O的重要性，使用不同比例的DMSO和H2O作为溶剂，在500 μM底物浓度下进行了硝化还原。当使用较高比例的水时，反应产率随之增加。作者采用1H-NMR和11B-NMR对4,4′-联吡啶和B2(OH)4的混合物进行了监测，以d6-DMSO和D2O为溶剂时，观察到了核磁共振峰的移位，但单独使用d6-DMSO时，却没有看到峰位移。这些实验证实了水在低底物浓度下对该反应的关键作用。随后，为了测试该反应是否与活细胞相容，作者将THP-1细胞与50 μM底物一起孵育，底物的荧光由于PET机制被硝基淬灭，而发生硝基还原反应之后荧光恢复。共聚焦显微观察法观察到B2（OH）4和4,4'-联吡啶的加入使细胞的荧光强度增加（图1），该结果表明其作用可以在生物相容性条件下进行。![]()
图1：（A）在活细胞中进行硝基还原的一维简化示意图；（B）不同条件下处理的活体THP-1细胞的共聚焦荧光图像；（C）荧光强度定量分析示意图。
来那度胺、沙利度胺、泊马度胺、伊伯度胺等免疫调节亚胺类药物作为治疗多发性骨髓瘤的免疫调节药物，通过参与E3连接酶配体CRBN诱导Ikaros家族转录因子IKZF1/3(Ikaros锌指转录因子1/3)的降解。为了证明该方案作为对照前药活化的补充策略的效用，作者通过笼式戊二酰胺氮与还原-不稳定对硝基芳基氨基甲酸酯基团，设计并合成了伊伯度胺的前药3，通过高效液相色谱（HPLC）测试，以及在HeLa，293T、THP-1和MM.1S细胞中进行细胞计数测定测试前药3和B2（OH）4/4,4′-联吡啶的毒性，结果表明仅使用B2（OH）4/4,4'-联吡啶处理不会降解IKZF1/3，析出的副产物甲醛和氨不会导致IKZF1和IKZF3的降解(图2)，证明了硝基还原反应在哺乳动物细胞中促药物活化的效用，而且还为受控蛋白质降解提供了互补策略。![]()
图2：（A）前药3硝基还原示意图；（B）前药3亚硝基还原的HPLC分析；（C）前药3和细胞孵育12小时；（D）B2（OH）4/4,4′-联吡啶和细胞孵育12个小时。
结论：综上所述，作者设计了一种用于受控前药活化的生物相容性4,4'-联吡啶介导的芳香族硝基还原反应。该反应有着优异的底物相容性，并且能在生物相容性条件下以低微摩尔浓度进行。机理研究表明水在这个反应中的关键作用。随后通过使用荧光“开启”底物，作者证明了反应与活细胞的相容性，且合成了伊贝度胺的前药3，在MM.1S细胞中进行了硝基还原反应，说明该反应在按需蛋白质降解中的应用。该反应在生物正交化学领域具有巨大的潜力，将成为化学生物学和药物递送的宝贵工具。参考文献：Ling Chu et al. Prodrug
activation by 4,4’-bipyridine-mediated aromatic nitro reduction. Nat. Commun. 2024, 15,
8643.
