光可移除保护基团的前沿探索：喹啉光笼的开发与应用

《MEDICINAL RESEARCH REVIEWS》：The Quinoline Photoremovable Group (PPG) Platform—A Medicinal Chemist's Approach for Photocage Development and Applications

这篇综述聚焦喹啉光可移除保护基团（PPG）平台。详细阐述其发现、底物范围、光裂解机制及结构 - 活性关系，介绍在释放生物相关底物、调控基因表达等方面的应用，探讨面临的挑战并展望未来，为相关领域研究提供全面参考。

　　

喹啉光可移除保护基团（PPG）平台：化学优化与生物应用的协同发展

光可移除保护基团（PPG）能够通过光照实现生物活性底物的暂时失活和后续可控释放，在生物过程研究和药物递送系统（DDS）开发中具有重要价值。喹啉光笼作为 PPG 的一种，已有约 20 年的研究历史，对其结构 - 性质关系及多分支设计的研究较为深入。

2 - 羟甲基喹啉 PPGs 的发现、底物范围和光裂解机制

2 - 羟甲基喹啉作为 PPG 首次于 2002 年被报道，以 8 - 溴 - 7 - 羟基喹啉 - 2 - 基甲基乙酰酯（BHQ - OAc）为例，它在单光子激发（1PE） uncaging 量子效率和双光子激发（2PE） uncaging 截面等方面表现优异，且具有良好的水解稳定性、水溶性和低荧光性，底物范围涵盖多种功能基团，包括羧酸、磷酸、二醇、半胱氨酸硫醇等。

BHQ 的光裂解机制最初被认为是溶剂辅助的 S_N1 光异裂，从单线态激发态开始，经异裂或均裂及单电子转移，生成类似两性离子的喹啉中间体和底物，最终被水捕获形成副产物。7 - 羟基喹啉在水溶液中存在四种质子转移异构体，光照下会发生激发态质子转移（ESPT），其荧光、p_a值和质子转移平衡受环取代基影响。后续研究发现，BHQ - OAc 和 8 - 氯 - 7 - 羟基喹啉 - 2 - 基甲基乙酰酯（CHQ - OAc）的光解可能涉及三线态物种，水和中性 pH 对脱保护反应很重要。不同取代基对 BHQ 和 8 - 氰基 - 7 - 羟基喹啉 - 2 - 基甲基乙酰酯（CyHQ）的光物理和光化学性质有显著影响，如改变取代基可调整吸收光谱、荧光强度、1PE 敏感性和 2PE uncaging 截面等。8 - 二甲基氨基喹啉 - 2 - 基甲基乙酰酯（8 - DMAQ - OAc）在光碎片化和双光子激发荧光（TPEF）实验中有独特表现，对其结构修饰可进一步优化光化学性质。N - 甲基喹啉鎓 PPGs 通过N - 烷基化可实现红移吸收、提高消光系数和水溶性，如N - 甲基 - 7 - 羟甲基喹啉鎓（N - Me - 7 - HQm）和绿色光吸收的噻唑橙（TO）衍生的 PPG 等。对喹啉环进行结构修饰，如 “苯并环化” 构建稠环系统，或设计多极探针，可改变其光化学性质，但也面临一些挑战，如 2PE 光解结果不理想、分子工程中的竞争反应等。

喹啉 PPGs 的应用

在生物相关酚类物质的释放方面，BHQ 和 CyHQ 等 PPGs 可有效光解酚类底物，如血清素（5 - 羟色胺，5 - HT）、多巴胺（DA）等。以 BHQ - O - 5HT 为例，它在体内外实验中均能有效释放 5 - HT，且生物相容性良好。CyHQ - O - DA 在研究多巴胺信号传导和受体激活失活动力学方面有应用价值，对 CyHQ 进行 C4 位取代可优化其 2PE 性能。

对于生物相关叔胺的释放，CyHQ - PPG 可实现叔胺的光释放，但对芳香胺存在光重排现象。对 CyHQ 进行结构修饰，可调整其对叔胺的光释放性能，如 TMP - CyHQ 对多种叔胺底物有高效光释放能力。

在寡核苷酸活性和基因表达的光学控制方面，（溴） - 羟基喹啉 PPGs 可用于光控适体活性和质粒表达，如 BHQ 能有效控制 HD1 适体与靶标的结合及绿色荧光蛋白（GFP）的表达。合成的吗啉代寡核苷酸（MOs）与 PPGs 结合可实现基因沉默的时空控制，如 BHQ 和 CyHQ 修饰的 MOs 在斑马鱼胚胎发育研究中有应用。

在神经过程研究中，PPGs 可用于控制神经元受体激动剂和拮抗剂的释放，如 CyHQ - 基于的 PPG 开发的 2PE - 可激活的 AMPA 构建体，以及 8 - DMAQ、HTO 等 PPGs 对谷氨酸等神经活性氨基酸的光释放研究，有助于深入了解神经传递机制。

在喹啉功能化的光激活纳米颗粒方面，喹啉 PPGs 被应用于光响应纳米药物递送系统，如与生物相容性荧光碳点或介孔二氧化硅纳米颗粒结合，实现抗癌药物或气体信号分子的靶向释放和荧光成像，同时研究其细胞摄取、定位和细胞毒性等性质。

喹啉 PPGs 当前面临的挑战

在实验数据标准化和 PPGs 比较方面，1PE uncaging 量子产率和 2PE uncaging 截面的测量存在多种协议和光源，化学 actinometry 可测量光强度，但操作复杂且易产生误差，反应介质也会影响 uncaging 效率。2PE 光解效率的测量受激发功率密度、探针 2PA 低等因素影响，不同研究结果难以直接比较。

合成可及性方面，喹啉 PPG 的合成多为多步反应，总产率不高，且涉及技术挑战和危险步骤，目前商业可用性有限。

在按需开发新型化学工具方面，化学开发与终端用户需求脱节，新型 PPGs 未充分针对特定应用，跨学科合作不足。

在新型 PPGs 的转化方面，体内光激活需考虑光传递和生物安全性，喹啉 PPGs 在体内代谢转化和毒性研究尚不充分，缺乏临床前数据评估其转化潜力。

总结与展望

2 - 羟甲基喹啉平台在过去 20 年已证明其在研究生物过程和药物递送方面的价值，未来化学发展可结合计算方法，开发如 HTO 光笼等合并支架，探索串联系统。BHQ 和 CyHQ 等是性能优异的 2PE PPGs，可作为光激活构建块用于开发光响应纳米颗粒或治疗诊断方法。为充分发挥喹啉 PPGs 的潜力，需要（药物）化学家和生物学家 / 药理学家共同努力，进行更多临床前和体内表征研究。