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杰论系列 | 病理技术前沿:点击化学反应(Click Chemistry)
来源: 时间:2024-04-10

引言:背景

Click Chemistry技术 一种 具有高选择性、高产率和快反应速率的化学反应,在生物大分子标记和超分子结构构建方面得到了广泛应用。 其基本机制是通过炔烃和叠氮化物的 1,3- 偶极环加成反应形成 1,2,3- 三唑, 已被广泛 应用 于多个 领域 尤其是在 生物共轭领域 生物共轭领域 是一 基于生物探针发展的领域,其基础是利用将小分子活性 (例如荧光染料)与肽、蛋白质、抗体等生物分子的特异性结合起来的方法 ,从而 用于病理 靶点 检测。 目前点击化学技术以 其快速、高产率、对生物体相容性强的优势 已经 成为 生命科学领域 中的 重要工具

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图1 Click Chemistry基本原理图 [1]

使用不同催化剂的“Click Chemistry” 技术

Click Chemistry技术在不同催化剂下展现了多样性,其中包括 DMSO无铜催化方式、   Cu(II) 以及 Cu(I) 两种铜催化方式。这些催化剂在 Click Chemistry 的实验中各具特色,具有各自的优势和局限性。

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图2:不同催化剂的“Click Chemistry” 技术  

1) DMSO 无铜催化方式中,无需铜催化剂,简化了实验条件,使得 Click Chemistry 更为温和。这种方式避免了铜离子可能引起的细胞毒性和不良影响,因此在生物体系中的应用具有潜在优势。

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图3:无铜催化剂体系的“Click Chemistry”  
2)Cu(II)催化方式中,采用CuSO4作为催化剂,其原理是把可溶于水的Cu(II) 在还原剂的作用下还原成Cu(I), 再进行催化[2] 。Cu(II) 可溶于水的特性相较于不可溶于水的Cu(I) 更方便实验操作。这种方式有较高的催化活性,适用于水相条件下的点击化学反应,也正因为其较低成本和便于操作的特性成为了目前最广泛应用的点击化学催化剂。然而,在部分情况下CuSO4混合物可能与其他物质产生反应从而产生沉淀物,如用作病理检测,会造成背景染色从而影响病理医生判片。
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图4:Cu(II)催化剂体系的“Click Chemistry”
3) Cu(I)催化方式则采用可溶于有机溶剂 的复合物 eg; CuBr CuI .. .) [3]   其原理相对于Cu(II) 催化反应则更为简单,但是 它不可溶于水的特性降低了其实验操作的便捷性。 然而, Cu(I) 利用其可溶于有机溶剂的特性,可为有机相点击化学提供更良好的催化效果,且提高了点击化学检测特异性,且可更好的运用于病理检测。 这种方式在有机合成等实验中得到广泛应用,为研究人员提供了更灵活的选择。
总体而言,Click Chemistry技术在不同催化剂的支持下表现出多样性和广泛应用性。在选择催化剂时,需要根据实验需求、环境条件以及所追求的反应特性来综合考虑,以达到最佳的实验效果。这使得Click Chemistry成为一种灵活且可定制的合成工具,为科学研究和应用领域提供了强大支持。
总结与讨论

Click Chemistry技术在 病理染色中展示了许多令人瞩目的研究成果,以下是一些典型案例及其意义:

1、病理标记的高度特异性

Click Chemistry被广泛应用于生物标记,如病理标记,通过对生物分子进行高度特异性的标记,使研究人员能够精确而可靠地检测病理学上的变化。这对于早期疾病诊断和治疗具有重要意义。

2、快速成像和准确定位

Click Chemistry反应具有快速反应速率的特点,使得研究人员能够在短时间内完成标记,实现快速成像和准确定位,提高了实验效率。

3、生物相容性

Click Chemistry 技术在病理染色中采用的催化剂选择,如 Cu(I) 的有机溶剂可溶性,有助于提高对生物体相容性。 这对于细胞和组织的研究至关重要,减少了对生物样本的不适应性。

相较于传统方法,Click Chemistry在病理学研究中的优势主要体现在其高选择性、快速反应、对生物体相容性强的特点。这些优势使得研究人员能够更准确地获取生物标记信息,提高了研究的精度和效率。

然而,Cu金属的难溶性、不稳定性以及Cu(I)的毒性等问题仍然存在。因此,当前研究方向之一是寻找其他金属取代铜作为催化剂的可能性。一些生化团队致力于研究更稳定的含铜复合物,以解决金属不稳定性的问题,同时减轻对生物体的潜在毒性 [4,5] 。这一研究方向有望进一步提升Click Chemistry技术在病理学研究中的可持续应用性。



未来发展和潜在应用

最新的研究来自清华大学和新加坡大学,在Click Chemistry中克服了铜催化面临的难题,如稳定性、溶水性和毒性。他们采用了多聚物,利用纳米簇包裹Cu(0)30吸Cu(I)附着,实现了铜催化平台的稳定性。 此外,通过在纳米簇外层嵌合可溶于水的MBA复合物,成功实现了多聚物的可溶性。这一创新成果被命名为Cu 30 (MBA)16 NCs,可用于染活细胞,为Click Chemistry技术在病理学领域的应用带来了新的可能性[6]
展望未来,Cu 30 (MBA) NCs的成功应用预示着Click Chemistry技术在病理学领域的进一步突破。其在病理学研究中的潜在应用包括:
1、 更精确的病理标记: Cu 30 (MBA) NCs的引入使得病理标记更为精确和可控,为研究人员提供了更多可能性来解读生物学变化。
2、染活细胞的广泛应用: 由于Cu30 (MBA) NCs可用于染活细胞,这将为研究细胞内过程提供更多选择,推动细胞学研究的深入。
3疾病诊断和治疗的创新应用: Click Chemistry技术的不断进步将为疾病的早期诊断和治疗提供更创新的方法,为医学和生物学领域带来巨大的推动作用。
总体而言,Cu30 (MBA) NCs的引入为Click Chemistry技术在病理学领域的应用带来了更大的潜力,为未来在生命科学研究中的创新提供了新的契机。
迈杰医学病理中心在多年的病理染色实践中,已经积累了丰富的临床和科研经验,拥有专业的临床病理医生团队,权威IHC、FISH、RNAScope、mIHC/mIF等全自动染色平台,已服务于众多客户的临床项目和科研工作,全方位助力客户临床转化医学研究。


参考文献

[1]   https://www.chemistryworld.com/features/the-bioorthogonal-revolution/4015604.article

[2] Shin, J., Jung, H., & Lim, Y. (2020). Competitive CuAAC Reaction between Hydrophobic and Hydrophilic Alkynes with Azides in Water. ChemistrySelect, 5(40), 12371–12376. https://doi.org/10.1002/slct.202002792

[3] Jankovič, D., Virant, M., & Gazvoda, M. (2022). Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition of Hydrazoic Acid Formed In Situ from Sodium Azide Affords 4-Monosubstituted-1,2,3-Triazoles. The Journal of Organic Chemistry, 87(6), 4018–4028. https://doi.org/10.1021/acs.joc.1c02775

[4] Aflak, N., Ayouchia, H. B. E., Bahsis, L., Anane, H., Julve, M., & Stiriba, S. (2022c). Recent advances in Copper-Based solid heterogeneous catalysts for Azide–Alkyne cycloaddition reactions. International Journal of Molecular Sciences, 23(4), 2383. https://doi.org/10.3390/ijms23042383

[5] Yoo, E. J. (2009). Copper-Catalyzed Multicomponent Reactions: Securing a Catalytic Route to Ketenimine Intermediates and their Reactivities. Current Organic Chemistry, 13(18), 1766–1776. https://doi.org/10.2174/138527209789630497

[6] Ge, Y., Xie, Y., Wang, Y., Tang, Y., Chng, L. L., Jiang, F., Du, F., Zhou, X., Ying, J. Y., & Yuan, X. (2022). Water-soluble Cu30 nanoclusters as a click chemistry catalyst for living cell labeling via azide-alkyne cycloaddition. Nano Research, 16(1), 1748–1754. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4821-5

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