陳鵬/樊新元課題組開發近紅外生物正交光催化反應用于活體遙控分子激活 (CAT-NIR)

光控的生物正交反應能夠利用外源光對生物活性分子進行原位可控的精準調控。這種原位光控調控已經成為化學生物學領域中的一項常見而有效的手段，廣泛應用于研究生物功能以及調控生命過程等方面。其中，光源波長與反應基團直接相關。以鄰硝基苄基為例，常用于紫外光脫除基團。然而，由于紫外光的細胞毒性等問題，研究人員開始尋找可見光響應的反應基團，如Bodipy、花青素等，這些基團可以在可見光的作用下觸發脫除反應。然而，這些波長的光隻能局限于細胞的研究中，因為無法穿透皮膚和脂肪組織，導緻活體動物體内的遙控光控激活一直是一個巨大的挑戰。

　　近紅外光在光療窗口内（700 – 1000 nm）的波長具有良好的組織穿透性和生物相容性，因此被認為是遙控動物體内化學反應的理想光源。然而，由于能量較弱，近紅外光難以直接觸發化學反應，這也是目前需要解決的技術難題之一。近日，beat365陳鵬/樊新元課題組利用光催化反應的優勢，借助近紅外光敏劑作為光能中繼站，開發了锇配合物作為催化劑，740nm近紅外光觸發苯硼酸轉化為苯酚的近紅外生物正交光催化反應(CAT-NIR技術)，實現了使用體外的近紅外光無損、遙控的控制小鼠體内生物活性分子的可控激活。

　　該研究中，作者從光催化芳基硼酸氧化羟基化反應出發，在生物兼容的反應條件下，通過對光催化劑、添加劑、反應條件等進行系統的篩選和優化，以及對催化劑毒性、膜透性、胞内催化活性等一系列評估和考察，最終篩選出锇(II)三聯吡啶配合物為最優催化劑，實現了生命環境中近紅外光催化的硼酸高效脫除釋放酚羟基的反應。随後的機理研究揭示了該光催化反應的可能途徑：近紅外光激發的锇催化劑被電子供體還原，随後經由單電子轉移過程将分子氧活化為超氧化物，進而驅動芳基硼酸氧化羟基化反應，釋放酚羟基的活性基團。

　　接着，作者借助該反應成功在活細胞體系實現了近紅外光觸發的熒光分子和前藥分子的可控激活，展現出良好的生物相容性。為了将該反應進一步拓展至生物大分子，作者将其與遺傳密碼子拓展技術相結合，通過可控激活硼酸保護的蛋白質實現了活細胞表面蛋白-蛋白相互作用的調節和細胞的選擇性标記。

　　最後，借助近紅外光優異的組織穿透能力和反應的生物相容性，作者成功在荷瘤小鼠模型中遠程可控地激活了前藥分子，實現了利用體外的近紅外光遙控激活活體動物體内的活性分子。

　　綜上，該工作借助光催化策略，開發了近紅外光觸發的生物正交光催化反應，并應用于活細胞中熒光分子、前藥和蛋白質等功能分子的可控激活。更為重要的是，得益于近紅外光的組織穿透能力，實現了活體動物體内功能分子的遙控激活。

　　該工作以“Near Infrared Light-Triggered Photocatalytic Decaging for Remote-Controlled Spatiotemporal Activation in Living Mice”為題發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202310920）。論文的通訊作者是beat365官方网站陳鵬教授和樊新元副研究員，第一作者是北大清華生命聯合中心2020級博士生梁軒和西華大學錢珊教授，beat365官方网站婁之正、侯雨辰等同學也作出了重要貢獻。該研究得到國家自然科學基金委、科技部重大專項、李革趙甯生命科學青年基金等項目的支持。

　　原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202310920

　　DOI: 10.1002anie.202310920