文章来源：刘陆平课题组

导语：

近日，中国医学科学院药物研究所刘陆平课题组在该领域取得里程碑式进展，构建了一种由ROS触发的新型四嗪生物正交反应体系。该体系基于巧妙设计的硼酸酯笼蔽二氢四嗪（BTz）化合物，实现了在活细胞及动物体内对化学反应的精准时空调控（图1），为癌症等重大疾病的精准治疗提供了新的技术策略，并有望推动生物正交化学在医学领域的创新性应用。相关工作发表于Nat. Commun.上

“Reactive Oxygen Species-Activated Bioorthogonal Chemistry in Living Systems Enabled by Boronate-Caged Dihydrotetrazines

Dongqing Ming, Jiaxue Zhang, Binsong Mu, Dongxue Peng, Yanjun Wang, Yangyang Kong, Wenjing Wang, Ling Chu, Rui Wang*, Luping Liu*

Nat. Commun. 2026, doi: 10.1038/s41467-026-68771-z“

正文

生物正交化学被称为生命科学研究中的“化学工具箱”，因其能够在复杂的生物环境中选择性地发生反应且不干扰内源性生化过程，已广泛应用于生物学研究和药物研发。其中，四嗪类反应因其具有快速的反应动力学和优异的生物相容性，已成为生物正交化学中的核心工具。然而，如何利用生物体内的内源性信号实现反应的时空精确调控，始终是该领域面临的重大挑战。活性氧（reactive oxygen species，ROS）作为细胞代谢的天然产物，在生理过程中发挥着重要的信号调控作用。ROS水平升高可导致生物分子氧化损伤，不仅影响衰老过程，还与癌症、炎症、糖尿病以及神经退行性疾病等多种疾病的发生发展密切相关。在肿瘤的病理微环境中，ROS浓度显著升高，因此可作为理想的内源性触发信号，激活生物正交化学反应，为实现疾病的精准诊断与靶向治疗提供了新的策略。

为满足复杂生物体系研究的多样化需求，研发可响应内源性生物触发因素或外源性刺激的新型“按需”生物正交反应体系具有重要研究意义。目前，调控生物正交反应的研究主要聚焦于利用光点击化学或脱笼策略在原位生成高反应活性中间体。例如，四唑、悉尼酮、二苯并环丙烯酮及羟基苄醇等前体分子在光诱导条件下可生成相应的高活性物种，如腈亚胺、二苯并环辛炔及醌甲基化物等。此外，研究者已开发出光催化二氢四嗪氧化为四嗪的策略，该方法不仅可实现活细胞亚细胞器的精准成像，还能够在活体小鼠体内诱导水凝胶的形成。光点击化学体系还涵盖光引发的硫醇–烯/炔反应、叠氮化物与环烯烃之间的[3+2]环加成反应，以及9,10-菲醌与亲双烯体之间的[4+2]环加成反应。同时，传统脱笼化学通过将不稳定官能团引入惰性前体分子，实现对反应活性的时空释放，从而拓展至按需生物正交反应领域。ROS可作为前药、分子探针及功能材料的内源性触发因子，在病理部位实现诊断或治疗分子的时空特异性激活，从而提高信噪比并降低潜在副作用。然而，构建高效且选择性响应ROS的生物正交反应体系仍面临显著挑战。近期，中国医学科学院药物研究所刘陆平课题组在该领域取得里程碑式进展，构建了一种由ROS触发的新型四嗪生物正交反应体系。该体系基于巧妙设计的硼酸酯笼蔽二氢四嗪（BTz）化合物，实现了在活细胞及动物体内对化学反应的精准时空调控（图1），为癌症等重大疾病的精准治疗提供了新的技术策略，并有望推动生物正交化学在医学领域的创新性应用。

图1.  ROS启动的四嗪生物正交反应

研究团队首先通过结构优化，成功合成了系列硼酸酯笼蔽的二氢四嗪化合物，其中苯基频哪醇硼酸酯修饰的前体 BTz 1 表现出最优的 ROS 响应性能和生物相容性（图2）。实验表明，该前体在生理浓度 H₂O₂（10 μM）下仅产生 20% 的活性四嗪，而在肿瘤微环境水平的 H₂O₂（100 μM）作用下，4 小时内即可生成 59% 的活性四嗪，12小时收率提升至75%，展现出严格的剂量依赖性响应特征。更重要的是，该前体在细胞培养液中稳定性优异，12小时内仅少量分解，为体内应用奠定了基础。

图2. ROS激活硼酸酯笼蔽的二氢四嗪

为验证该体系的实用性，研究团队开发了两大核心应用方向：

1. ROS 触发的原位 PROTAC 组装：PROTAC（蛋白降解靶向嵌合体）作为新型药物研发技术，能特异性降解致病蛋白，但传统 PROTAC 存在脱靶风险。团队将硼酸酯笼蔽的二氢四嗪与cereblon E3 连接酶招募配体偶联，得到 BTz-CRBN，同时设计了反式环辛烷（TCO）修饰的 BRD4 结合配体 TCO-JQ1（图3）。在高 ROS 的肿瘤细胞内，BTz-CRBN 被激活生成活性四嗪，与 TCO-JQ1 通过生物正交反应原位组装形成PROTAC，实现对BRD4蛋白的靶向降解。实验显示，该体系在 A549 和 HeLa细胞中可降解60%以上的BRD4蛋白，降解效率与直接给药相当，且具有严格的ROS依赖性。

图 3.  ROS启动的PROTAC降解BRD4蛋白

肿瘤选择性药物递送：团队将该内源性信号响应体系与 “点击 – 释放”策略结合，设计了反式环辛烷修饰的阿霉素前体（TCO-Dox）。在肿瘤微环境的高ROS作用下，BTz释放出活性四嗪进而与TCO-Dox发生反应并释放游离阿霉素，实现药物的靶向激活（图4）。细胞实验表明，该体系对MC38结肠癌细胞的杀伤效果与游离阿霉素相当（IC₅₀分别为 3.09 μM 和 2.13 μM），而单独使用BTz或 TCO-Dox 则无明显细胞毒性。

图4.  ROS启动的药物靶向递送  (图源：Nat Commun.)

在MC38肿瘤小鼠模型中，该递送系统展现出卓越的肿瘤选择性和安全性（图5）：与直接注射阿霉素相比，BTz+TCO-Dox 组合治疗的肿瘤生长抑制率高达 66%，且小鼠体重保持稳定，未出现明显毒副作用；而高剂量阿霉素组（28.7 µmol / kg）的小鼠全部在6天内死亡。进一步的biodistribution 研究证实，该体系能在肿瘤部位特异性释放药物，显著降低药物在心脏、肝脏等正常组织中的蓄积，从根源上减少化疗副作用。

图5.  ROS 激活的靶向药物递送系统在MC38荷瘤小鼠中的抑瘤疗效评价

课题组简介

刘陆平课题组隶属于中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室，课题组关注基础有机化学和现代生物医药技术的融合，主要研究方向包括：1.抗体药物；2.共价小分子药物；3. 新型生物相容性化学方法学的研发和应用。近年来发表文章包括Nat. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Nat. Commun.等。因研究需要招聘科研助理（已获本科及以上学位）、博士后、硕博研究生等，欢迎具有有机合成、药物化学、化学生物学、分子生物学等相关专业背景的有志青年加盟，共创未来。课题组联系方式（lpliu@imm.ac.cn）。