荧光N-杂环的紧缩反应合成、后期功能化及光触发药物递送新策略

研究人员针对生物分子修饰中化学多样性不足的问题，开发了基于azo-ene-yne紧缩反应的合成方法，成功构建了具有固有荧光的2-胺基-异吲唑（isoindazole）N-杂环，实现了肽的后期功能化（LSF）和光触发药物释放。该技术为70%含仲胺/羟基药物提供了精准递送方案，并拓展了生物成像与治疗监测的新工具。

　　

论文解读

研究背景

在药物开发和生物分子修饰领域，如何高效构建结构多样的功能分子一直是核心挑战。传统线性或环化反应虽广泛应用，但难以生成具有独特空间构型和光电性质的化合物。紧缩反应（coarctate reaction）作为一种特殊的反应拓扑，能通过过渡态螺旋轨道同步形成和断裂多重键，理论上可解锁传统方法无法实现的化学空间。然而，其复杂的机制和生物相容性难题长期阻碍了应用。与此同时，兼具荧光特性与精准释放功能的分子工具在药物开发和活体成像中需求迫切。

研究设计与技术方法

美国研究团队Monika Raj课题组开发了azo-ene-yne紧缩反应体系，通过CuCl/O₂催化二炔基苯基三氮烯（triazene）环化，构建2-胺基-异吲唑核心结构。关键技术包括：(1) 氧依赖的紧缩反应条件优化；(2) 通过Knoevenagel缩合等策略调控荧光发射波长；(3) 光触发N-N键断裂实现药物释放；(4) 固相肽合成（SPPS）验证生物相容性。研究使用T-47D和HeLa细胞模型评估了药物递送效率。

研究结果

1. 生物分子紧缩反应开发
通过优化CuCl用量（0.5当量）、溶剂（1,2-二氯乙烷）和氧气环境，实现了73%收率的2-胺基-异吲唑（4a）合成。该反应对肽链上的活性基团（如Cys、Met）表现出优异化学选择性。

2. 底物范围拓展
涵盖5-8元环状仲胺（如脯氨酸甲酯）和复杂链状胺（含烯丙基、噻吩等），合成34-82%收率的异吲唑衍生物（4a-4n）。Fmoc保护的非天然氨基酸（7a-7i）成功应用于固相肽合成。

3. 荧光性能调控
通过7位供电子基（如4-甲氧基苯基）和醛基受体（如丙二腈）修饰，将发射波长从401 nm红移至669 nm（23），斯托克斯位移达160 nm，量子产率Φ₂₃=0.10。

4. 肽后期功能化
在含全部活性氨基酸的十肽（28）中实现选择性修饰，并构建细胞穿透肽库（31a-31d）。荧光肽33（λ_Em=502 nm）和34（λ_Em=650 nm）在100 nM浓度下实现无背景成像。

5. 光控药物递送
2-胺基-异吲唑在302-370 nm光照下释放MMAE（35-36）或喜树碱（37），HeLa细胞中光依赖的凋亡率提升3倍（p<0.01）。自由基捕获实验证实醛基引发的N-N键断裂机制。

结论与意义

该研究首次将紧缩反应应用于生物分子工程，创造了兼具荧光、稳定性和光响应性的异吲唑工具箱。其多重价值在于：(1) 为70%含仲胺/羟基药物（如阿霉素、度洛西汀）提供时空可控递送方案；(2) 大斯托克斯位移荧光团克服传统染料自淬灭问题；(3) 异吲唑保护基实现酸稳定/光裂解的正交去保护。发表于《Nature Communications》的这项工作，为化学生物学和药物开发提供了颠覆性工具。