2022年諾貝爾化學獎簡介

瑞典皇家科學院北京時間10月5日下午5點45分重磅宣布，將2022年諾貝爾化學獎授予美國科學家卡羅琳·露絲·貝爾托齊(Carolyn R. Bertozzi)、卡爾·巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless)和丹麥科學家莫滕·梅爾達爾(Morten Meldal)，以表彰他們在“點擊化學和生物正交化學”(click chemistry & bioorthogonal chemistry)的發(fā)展作出的突出貢獻。

到目前為止，Bertozzi是諾貝爾化學獎史上第八位女性獲獎者，Sharpless是第五位“梅開二度”的諾獎得主——他于2001年憑借“不對稱氧化反應”獲得了諾貝爾化學獎。

2022 年諾貝爾化學獎關乎于尋找新的理想的化學，讓簡單性和功能性優(yōu)先。他們的研究將給人類帶來巨大的獲益。

自18世紀現(xiàn)代化學誕生以來，許多化學家都將自然作為研究的模仿對象。地球上生命本身就是化學復雜性的至高能力的最好證明。在植物、微生物和動物中發(fā)現(xiàn)的驚人的分子結構，促使研究人員嘗試通過人工合成來構建相同的分子。在藥物開發(fā)中，模仿天然分子通常也是一個重要的部分，因為開發(fā)許多藥物的靈感就來自天然的物質。

數個世紀以來積累的化學知識業(yè)已證明利用開發(fā)出的復雜工具，化學家現(xiàn)在可以在實驗室中創(chuàng)造出各種極其驚人的分子。化學家通?？梢灾圃焐倭康脑撐镔|，用于體外測試和臨床試驗。而后，如果后期需要工業(yè)生產，則需要達到更高的生產效率。然而，一個具有挑戰(zhàn)性的問題是，復雜的分子必須通過許多步驟才能構建出來，每個步驟都會產生不需要的副產品 —— 有時多，有時少。為了得到需要的化合物，在后續(xù)的反應工藝之前，這些副產品必須被清除。而對于那些合成難度大的化學結構，原料的損失可能極大，反應結束后產物幾乎為零?；瘜W家經常能實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的目標，但采用的路線可能既耗時又昂貴。

核酸和蛋白質是自然界中常見的生物大分子，復雜的化學結構和豐富的生物功能由小分子單元借助碳-雜原子鍵(C-X-C)的鏈接而實現(xiàn)。Sharpless受此啟發(fā)，提出了點擊化學的理念，該理念與“萬物之始，化簡之道，化繁為簡”的哲學思想有相通之處，通過最簡單有效的方法將兩個分子實體偶聯(lián)在了一起。目前已被廣泛用于藥物開發(fā)、繪制DNA圖譜和制造更匹配目的材料。

點擊化學的代名詞——銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應

點擊化學(click chemistry )，也被稱為“咔噠化學”“鏈接化學”“速配接合組合式化學”，是由 Sharpless在2001年引入的一個合成概念，主旨是通過小單元的拼接，快速可靠地完成形形色色分子的化學合成。它尤其強調開辟以碳-雜原子鍵(C-X-C)合成為基礎的組合化學新方法。點擊化學的代表反應為銅催化的“疊氮化物-炔烴環(huán)加成”反應(copper catalyzed azide-alkyne cycloaddition)(圖1)。

Sharpless認為，鑒于碳原子之間形成化學鍵是化學合成的一大障礙，來自不同分子的碳原子往往缺乏成鍵的化學動力，而人工激活反應的過程會導致許多不必要的副產物。他提出一種更容易掌控的路徑，即利用氮原子或氧原子作為“橋梁”，將具有完整碳骨架的小型分子拼接起來。

隨后，Sharpless與本年度另一位獲獎者Meldal各自獨立報告了現(xiàn)在化學“皇冠上的寶石”：銅催化“疊氮化物-炔烴環(huán)加成”反應。這是一種精致而高效的化學反應。Meldal在用銅離子催化炔烴與酰鹵的反應時，發(fā)現(xiàn)炔烴與中間產物疊氮化物反應生成環(huán)狀結構的三唑。Meldal意識到了疊氮化物和炔烴發(fā)生反應的價值，他于2002年在一篇學術文章中指出，該反應可用于將許多不同分子結合在一起。這一年，Sharpless也發(fā)表了用銅催化使疊氮化物和炔烴發(fā)生反應的論文，并將其描述為“完美的”點擊反應。即便點擊化學不能提供天然分子的精確副本，也有可能找到具有相同功能的分子。組合簡單的化學模塊的方法可以創(chuàng)造出幾乎無窮無盡的分子種類，因此，他們相信點擊化學可以產生與天然藥物具有類似功能的新型藥物，并且可以實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產。

此外，他認為用簡單的反應，也就是那些驅動力強烈、使分子結合在一起的反應，那么就能避免許多副反應，從而使材料的損失降到最小。

圖1 銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應示意圖(來源：諾貝爾獎官網)

點擊化學和生物正交化學的巨大潛力

自Sharpless、 Meldal等人報道了“由銅離子催化的疊氮基團和末端炔基之間發(fā)生的點擊化學反應”后，許多實驗室開始使用這個高效反應進行生物分子標記和研究。但是銅離子本身的毒性，導致點擊化學在細胞和活體內的應用受到很大限制。

早在20 世紀 90 年代，由于生物化學和分子生物學的迅猛發(fā)展，世界各地的研究人員開始繪制基因和蛋白質圖譜，試圖了解細胞如何工作。但問題在于，當時的新的分子生物學工具不能用來研究它們。

Bertozzi是研究這一難題的科學家之一，她在解析一種聚糖(聚糖通常位于蛋白質和細胞的表面，并且在大量的生物化學過程中扮演者重要的角色。)如何將免疫細胞吸引到淋巴結時遇到困難，最終從一份有關如何讓細胞產生唾液酸的報告中找到靈感。

唾液酸是構成聚糖的糖類之一。Bertozzi想到，能否讓細胞生成經過化學修飾的唾液酸。讓修飾的唾液酸能夠參與構成不同的聚糖，用這種化學修飾定位聚糖。例如，可以將熒光分子連接到經過化學修飾的部分，熒光就能顯示唾液酸參與構成的聚糖在細胞中所處位置。她通過在聚糖分子上附加一個熒光分子，然后通過熒光揭示聚糖在細胞中的“隱藏”位置。但是，她遇到的一個挑戰(zhàn)是：引入的化學基團不能與細胞中的任何其他物質發(fā)生反應，即所采取處置不會干擾細胞的正?；瘜W反應。

為此，Bertozzi專門創(chuàng)造了一個術語：引入到細胞中的化學基團和熒光分子之間的反應必須是“生物正交”反應(bioorthogonal reaction)。所謂“正交”其實是有互不干涉的意思。“生物正交化學反應是指能夠在生物體系中進行、且不會與天然生物化學過程相互干擾的一類化學反應(汪欣,張賢睿,黃宗煜,樊新元,陳鵬.化學學報,2021,79:406-413.)”。

2000 年，機遇恰逢其時，Bertozzi找到一種可用作化學修飾的最佳物質，即疊氮化物(azide)。她以巧妙的方式修改了施陶丁格反應(Staudinger reaction)，成功將熒光分子與引入聚糖中的疊氮化物連接起來。疊氮基團不會影響細胞，甚至也可以被引入到活體生物中。就在當時，“銅催化的疊氮化物-炔烴環(huán)加成”反應已開始為人所知。Bertozzi認識到，有銅離子存在情況下，她用作化學修飾的疊氮化物能快速連接到炔烴上。但銅對生物機體是有毒的。

隨后，關鍵的突破是，她發(fā)現(xiàn)早有研究表明，如果將炔烴連接到環(huán)狀化學結構上，疊氮化物和炔烴可以在沒有銅的幫助下，以“幾乎爆炸的方式”反應。因為張力產生了許多的能量，使得反應平穩(wěn)進行。當她把該系統(tǒng)應用在細胞實驗時，結果很好。2004年，她發(fā)表了非銅催化的點擊反應(copper-free click reaction)論文，將該反應命名為“應變促進的疊氮化物-炔烴環(huán)加成”(strain-promoted azide-alkyne cycloaddition)反應，并證明它可以用于追蹤聚糖(J Am Chem Soc, 2004,126：15046-15047.)。

在Bertozzi和她的團隊的努力下，點擊化學進入了一個新的層面，實現(xiàn)了無銅化，使其能夠在生物體中進行高選擇性化學反應，并安全應用。這是一個里程碑，也是一些更重大研究的起點(圖2)。同時，她和許多其他研究人員還利用了這些點擊反應，來探尋生物分子在細胞中相互作用的具體形式，以及了解疾病過程，并促進開發(fā)精準的抗癌療法。

圖2 生物正交化學追蹤聚糖的原理示意圖(來源：諾貝爾獎官網)

生物正交化學反應的出現(xiàn)，為科學家對生命進程的原位研究帶來了革命性的技術，已經成為化學生物學這一新興交叉領域的核心方向之一。今年的諾獎既回歸了化學反應本身，又打通了生物與化學之間的界限。這是對整個化學生物學領域的肯定。這極大的促進了化學生物學的發(fā)展。

應用前景——從實驗室到臨床治療

點擊化學概念提出到現(xiàn)在不過20余年，生物正交化學就已經經歷了從簡單的活細胞體系向更為復雜的生物活體升級的一系列發(fā)展歷程，點擊化學和生物正交反應在生命科學研究、醫(yī)藥研發(fā)、臨床診療等多個領域均已展示出了廣闊的應用前景。

1.開發(fā)新型抗癌藥物

Bertozzi實驗室利用生物正交反應來追蹤生物體內的分子間相互作用，以及它們對疾病的作用，并對細胞、組織、器官進行標記和成像。他們還發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞表面的聚糖可以保護腫瘤細胞免受免疫系統(tǒng)的殺傷作用?；谶@些發(fā)現(xiàn)，他們開發(fā)了一種全新的抗癌藥物類型，將分解聚糖的唾液酸酶與腫瘤特異性抗體結合，增強癌癥治療效果。

于是Bertozzi于2015年創(chuàng)立了一家名為Palleon Pharmaceuticals的生物技術公司，致力于開發(fā)糖介導的免疫調節(jié)治療腫瘤和炎性反應疾病，例如將唾液酸酶與 PD-L1 或 HER2 抗體形成融合蛋白，實現(xiàn)雙管齊下的抗癌效果。其中靶向腫瘤細胞和免疫細胞上的免疫抑制性唾液聚糖的雙功能唾液酸酶融合蛋白藥物 E-602 已處于在晚期癌癥患者身上進行1/2期臨床研究階段。

2.“前藥”策略——將耐受劑量提高

2020 年 10 月，總部位于美國加州的生物技術公司 Shasqi 啟動了生物正交化學在人類身上的首次使用，開始了阿霉素“前藥”的 1/2 期臨床試驗，該“前藥”利用了 Fox 教授開發(fā)并由 Robillard 采用的四嗪-TCO 生物正交化學成果。該治療基于的原理是將載有四嗪分子的水凝膠預先注射至腫瘤部位，然后再輸液注入阿霉素“前藥”。只有兩種成分在腫瘤部位相遇時，藥物活性分子才會被釋放。阿霉素常用于多種癌癥的治療，但往往會受到毒副作用的限制。在小鼠試驗中，這種前藥策略將耐受劑量提高了近 6 倍，存活率提高了63%。雖然迄今這一臨床試驗尚未完成，但該公司已經在籌備基于抗體的方法，以便能將四嗪分子輸送到注射無法到達的腫瘤中。

目前，我國研究跟國際是處于并行水平，同時我國也發(fā)展了一些新型反應。并首先提出了一部分新概念，這些獨特的工作具有一定的引領性。例如，傳統(tǒng)的生物正交反應主要是把兩個分子對接在一起的“連接”反應，而國內做了一類“剪切”反應，即在生物正交的條件下把一個分子從中間切開，構建成一分為二兩個分子。它的一個重要的應用前景，就是讓一些藥物在癌細胞中進行原位釋放。在到達癌細胞之前，藥物是被鎖住的，沒有毒性；而需要釋放的時候，就把它剪開，對癌細胞產生特異的毒性。例如，北京大學的陳鵬教授團隊開發(fā)了一種計算工具來識別活性位點內部或附近的合適的賴氨酸或酪氨酸殘基，這些殘基會抑制蛋白質的活性，直至它們被“脫籠”為止。在 2019 年，該團隊利用這種化學手段阻斷了炭疽毒素中的一個關鍵催化殘留物。在腫瘤細胞內，可以使用紫外線選擇性地激活(可致細胞程序性死亡的)蛋白質。目前，陳鵬教授的團隊正在研究其他的觸發(fā)因素。

無疑，點擊化學和生物正交化學正在走近大眾視野，化學的“功能主義”新時代已經到來。

編譯：王 欣(中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所)

審校：章靜波(中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所)

編者按：人工智能越來越廣泛地滲透到各研究與應用領域已成科技發(fā)展的一個重要趨勢。切實有效地把人工智能引入醫(yī)學研究與臨床應用將為實現(xiàn)智慧醫(yī)學(Intelligent Medicine；Wisdom Medicine)建設作出貢獻。有鑒于此，本刊特邀請相關方面的專家就人工智能在腫瘤、心血管疾病和糖尿病等主要醫(yī)學領域中的應用進展進行了介紹并以專題綜述形式刊出，以饗讀者。