Disodium combretastatin A-4 3-O-Phosphate

抗体偶联药物（ADC）已成为一类具有变革性的靶向治疗药物，结合了单克隆抗体的高度特异性和小分子细胞毒性载荷的强效杀伤活性。尽管目前已存在多种ADC制备策略，但定点偶联方法因能够产生具有明确药物抗体比（DAR）、改善的稳定性和可预测药代动力学的均质构建体而备受关注。其中，二硫键重桥接化学作为实现抗体精准修饰的优雅且通用的平台，近年来受到了广泛关注。该方法通过利用天然链间二硫键，在恢复抗体结构完整性的同时引入用于载荷连接的官能团，能够从天然抗体出发制备可重复、结构明确的ADC。本综述系统且全面地梳理了二硫键重桥接的化学方法，追溯了从重桥接试剂和策略从早期马来酰亚胺、双砜骨架到现代二溴哒嗪二酮及其他桥接框架的演进历程。除化学层面外，研究人员还讨论了重桥接ADC的生物学意义，包括其转化潜力，并辅以新出现的临床前和临床数据支持。本综述从化学与生物学双重视角出发，旨在为致力于探索不断扩展的定点ADC开发领域的研究人员提供实用指南，最终助力下一代靶向治疗药物的理性设计。1.引言 抗体偶联药物（ADC）已成为现代精准肿瘤学中最具变革性的治疗模式之一，从根本上重塑了靶向癌症治疗的传统范式。这种常被比喻为“生物导弹”的策略，结合了生物制剂的靶向精准性与细胞毒性化疗的杀伤效力。过去二十年间，该领域已进入科学与临床加速发展的前所未有的阶段，截至目前全球已有21款ADC获得监管批准，且庞大的临床管线仍在快速扩张。因此，ADC开发目前正处于科学创新与临床转化的爆发期。然而，尽管取得了这些显著里程碑，关键挑战仍然存在，其中部分挑战与传统生物偶联方法导致的产品异质性相关。因此，解决这些根本性局限需要采用先进的生物偶联策略，从而塑造下一代ADC的开发方向。 从分子层面看，ADC是由三个经典组分构成的模块化构建体：作为靶向载体的单克隆抗体、连接抗体与药物的化学连接子，以及最终介导肿瘤细胞杀伤的高活性细胞毒性载荷。尽管这三个组分的优化仍是基础，但用于组装它们的生物偶联策略日益被认为是决定治疗性能的关键因素。对药物抗体比（DAR）及其分布的精确控制仍是ADC开发的核心挑战。传统的赖氨酸和半胱氨酸靶向策略通常会产生高度异质的混合物，具有可变的DAR和位置异构体，且在马来酰亚胺类连接的情况下存在显著的不稳定性。这种异质性会影响药代动力学、稳定性和毒性：过高的DAR值会增加疏水性并加速清除，而药物负载不足则会损害疗效。因此，制备具有可控DAR的结构明确偶联物已成为ADC设计的核心目标，推动了定点偶联方法的兴起，这类方法能够提供更好的分子均质性、药代动力学稳定性和更可预测的临床行为。特别是通过还原链间二硫键形成的马来酰亚胺偶联物，在循环系统中易发生去偶联和硫醇交换，导致载荷丢失（例如120小时内DAR从4降至<3.5）以及低DAR物种和游离抗体的形成。近期研究表明，基于还原抗体半胱氨酸双烷基化的二硫键重桥接方法可通过恢复共价连接性克服这些局限，无需蛋白质工程即可实现对天然抗体的位点选择性和均质修饰。该策略可产生以DAR=4为主的偶联物（≥78%），DAR分布窄，且稳定性显著改善（血清条件下120小时后DAR～3.9），同时完全保留抗原结合能力。 重要的是，在该基于聚乙二醇化缬氨酸-瓜氨酸连接MMAE载荷的ADC系统中，对分离DAR物种的系统比较表明，低DAR变体（1-2）体内疗效有限，而高且明确的DAR 3-4偶联物可提供 superior 的肿瘤控制效果，其中DAR 4 ADC在异种移植模型中实现了肿瘤完全消退。这些发现共同强调，控制DAR和偶联均质性至关重要，并确立了二硫键重桥接作为一种稳健化学解决方案的地位，其解决了经典偶联策略的关键局限，从而推动了下一代位点选择性ADC偶联方法的发展。在这一不断演进的领域中，二硫键重桥接策略作为一种优雅且通用的抗体定点修饰方法受到了广泛关注。尽管与经典偶联技术相比，二硫键重桥接化学仍相对年轻，但在过去十年中，已出现多种试剂以应对稳定性、选择性和可扩展性相关的挑战。这些创新体现了ADC设计向精准生物偶联策略的更广泛转变，使二硫键重桥接不仅成为一种替代方案，更成为一个能够构建下一代结构明确ADC的平台。二硫键重桥接化学特别兼容模块化ADC合成工作流程。会聚式“连接-点击”（stick-and-click）策略将生物偶联与连接子-载荷连接解耦，允许快速组合探索抗体支架、连接子和载荷类别。重桥接试剂始终能提供高偶联效率、可重复的DAR谱和保留的抗原结合亲和力，同时促进高通量文库生成和平行优化。此外，载荷的后期偶联减少了高细胞毒性化合物的操作，简化了纯化流程，并提高了实验室和工业环境的安全性。本综述系统探讨了通过二硫键重桥接制备ADC的化学方法，全面阐述了化学策略的演进及其治疗应用。 2.二硫键重桥接的一般方面 原则上，二硫键重桥接依赖于双功能亲电试剂，这些试剂与还原天然链间二硫键后产生的两个半胱氨酸硫醇反应，用带有可用于连接功能载荷的官能团的合成共价桥替换天然二硫键。尽管原始二硫键未被重建，但高效的重桥接可以保留类似天然的IgG连接性和整体抗体架构。从机制上看，一个半胱氨酸首先与试剂反应形成单加合物，随后快速分子内捕获第二个邻近的硫醇以重建链间连接。第二步的效率至关重要：桥环闭合缓慢会增加水解、分子间反应或半胱氨酸重排的可能性，导致半抗体物种、错桥产物或异质高阶聚集体。因此，成功的重桥接不仅取决于硫醇选择性，还取决于反应动力学、连接子几何结构、刚性以及与天然二硫键拓扑结构的兼容性。由于合成连接子成为偶联物整体结构的一部分，其物理化学性质还会影响最终ADC的稳定性、聚集性、疏水性和药代动力学行为。 SDS-PAGE凝胶条带的密度分析常被用于估算完整抗体和半抗体物种的相对丰度，以及提供重桥接效率或偶联转化率的近似评估。本综述中的转化率值要么基于引用文献中报告的密度分析，要么基于研究人员从已发表的SDS-PAGE凝胶图像中测定的密度值。值得注意的是，此类估算应谨慎解读，由于方法本身的固有局限，其提供的是近似而非确定的定量测量。此外，半抗体形成不应自动被解读为重桥接失败。迄今为止，尚无证据表明这些物种会对抗体的整体特性产生不利影响。此外，临床批准的ADC中广泛使用的传统半胱氨酸-马来酰亚胺偶联策略也会产生包含HL、HHL、HH及游离重链（H）和轻链（L）物种的混合物，但由于IgG内强大的非共价链间相互作用，这些产物通常仍保留优异的生物学性能。类似地，重桥接的HL（半抗体）物种在天然条件下通常仍保持为完整的IgG样组装体，尽管在变性SDS-PAGE或质谱分析中看似解离。事实上，ELISA和SEC分析经常显示，即使存在可检测的半抗体群体，抗原结合能力和溶液稳定性仍得以保留。因此，半抗体物种的检测应谨慎解读，其分析表现并不一定反映功能抗体完整性的丧失。然而，仍需监测半抗体物种的存在和丰度，因为高比例也可能表明重桥接不完全或天然二硫键架构恢复不足。因此，半抗体形成应始终结合具体重桥接策略、分析方法和所得ADC的生物学性能来评估，而非作为偶联成功的孤立衡量标准。因此，成功的重桥接应主要通过保留功能性IgG架构和生物学活性来评估，而非仅通过完全重建完整抗体物种来评估。 除结构完整性外，偶联质量的关键定量指标是药物抗体比（DAR），或诊断偶联物的荧光团抗体比（FAR），其定义了每个抗体连接的载荷分子的平均数量。DAR通常通过疏水相互作用色谱（HIC）、紫外-可见光谱或质谱（MS）测定，其中质谱提供最可靠的评估，因为它可直接解析单个偶联物种，并检测不完全偶联、重排或过度功能化。临床成功的ADC通常表现出平均DAR值约为4，这代表了 potency 与更高载荷负载相关的疏水性增加、聚集、不稳定性和加速清除之间的最佳平衡。因此，二硫键重桥接提供了一个主要优势，因为选择性靶向IgG1抗体的四个链间二硫键能够可控地生成相对均质的DAR 4偶联物，与随机赖氨酸或传统半胱氨酸偶联方法相比，异质性显著降低。然而，经常观察到DAR值超过4，这可能源于多个因素，包括分析高估、过度还原暴露额外半胱氨酸、桥环闭合不完全或抗体本身的结构异质性。尽管如此，标记度（DOL）值超过4应始终谨慎解读，因为它们通常表明是过度偶联，而非链间二硫键的受控一对一重桥接。尽管较高的DAR物种最初可能因增加的载荷递送而显得有利，但它们通常更具疏水性、易聚集且稳定性较差，常导致较差的药代动力学和治疗性能。因此，近期ADC开发优先考虑可控且均质的DAR分布，而非仅追求最大载荷负载。因此，评估重桥接方法需要考虑几个相互关联的参数：硫醇选择性、转化效率、桥接保真度、载荷分布和天然抗体组装的保留。SDS-PAGE通过监测完整IgG与游离链衍生片段，提供了桥重建效率的快速且可及的估算，使其适用于常规筛选和优化。然而，质谱仍是最具信息量的方法，因为它能以高结构分辨率直接识别成功的桥形成、不完全偶联、水解中间体、重排事件和DAR分布。宽泛或意外的质谱峰模式通常表明第二个半胱氨酸的捕获效率低下或存在竞争性分子间反应。因此，最有效的重桥接试剂是那些将高半胱氨酸选择性与快速分子内桥环闭合相结合的类型，从而最小化重排和不完全转化的动力学窗口。 现有证据进一步表明，重桥接效率高度依赖于抗体同种型和铰链区架构。重要的是，这在很大程度上反映了当前临床ADC的实践，即绝大多数已批准的偶联物基于人IgG1抗体，仅少数采用IgG4支架，如Besponsa?和Mylotarg?。人IgG1仍是主导的ADC形式，因其稳定性良好、可生产性高且偶联行为（包括高效且可重复的链间二硫键修饰）已得到充分确立。与此一致，大多数二硫键重桥接研究仅在IgG1抗体上证明了稳健且均质的偶联，而IgG4和几种非人亚类经常表现出较低的转化率、更宽的DAR分布或更高的异质性。这些差异与铰链区结构、半胱氨酸可及性和二硫键几何结构密切相关，所有这些因素都强烈影响还原和桥重建效率。因此，当前重桥接化学对IgG1抗体的关注不仅是技术局限，更与ADC开发的主导临床和工业方向紧密契合，其中IgG1支架仍是主要的治疗平台。 3.二硫键重桥接的化学工具箱 链间二硫键桥接最早于1990年由Lawton及其同事披露，作为一种位点选择性修饰方法。该方法通过插入二价小分子来还原并重桥接链间二硫键桥。这种重桥接方法的优势在于可使用天然、易生产的抗体，并能以高均质性合成最优的DAR4抗体偶联物。 近期发表了多种重桥接试剂，通过不同机制反应形成硫-碳键（见图2和表S1）。这些分子工具通过亲核取代、加成-消除和亲核加成等机制反应，也有部分通过亲核加成机制反应。这些重桥接试剂通常通过多步合成制备，且常需要昂贵的起始原料。这凸显了对可通过更可行路线合成或最好直接作为市售化合物获得的重桥接试剂的需求。除这些主要机制外，还报道了几种依赖独特反应模式或多步转化的替代策略。这些较不常见的方法虽然在机制上多样，但同样旨在实现高效二硫键重桥接，同时保持抗体结构完整性并实现可控的载荷掺入。以下章节将根据机制类别讨论各种重桥接化学。 不同重桥接试剂的应用通常涉及三种策略。还原和重桥接的顺序可控制错桥接以及重桥接试剂与还原剂之间的副反应。带中间纯化的分步法首先进行还原，通过缓冲液置换去除还原剂，随后进行重桥接，最后再次缓冲液置换。如果重桥接试剂对还原剂呈惰性，则可省略中间缓冲液置换，允许在同一反应容器中连续进行两步操作，这可描述为无中间纯化的两步法。最后，同时加入还原剂和重桥接试剂可实现半胱氨酸还原与偶联并行，即一锅法重桥接。这些方法共同实现了二硫键的可控重建，同时引入载荷以产生功能性抗体偶联物。 3.1 亲核取代 亲核取代（SN）型二硫键重桥接策略是一类机制独特且日益多样化的方法。该群体的一个关键优势在于所研究的亲电支架的多样性，从二溴氧杂环丁烷到双卤代乙酰胺、双（溴甲基）吡啶、双（溴甲基）苯、烯丙基溴（如3-溴-2-（溴甲基）丙-1-烯）和二卤代丙酮等。 二溴氧杂环丁烷表现出优异的固有反应性，在曲妥珠单抗Fab上实现了>95%的转化率，尽管未明确报告DOL值。双卤代乙酰胺在近期研究中，能够将大型纳米颗粒载荷（如Eudragit L-100）偶联到阿替利珠单抗上，平均偶联效率为74%。此处报道的铰链区与链间二硫键之间的区域选择性主要由重桥接前的还原方案驱动。该示例凸显了抗体还原条件在决定最终偶联物分布中的关键作用，应 alongside 重桥接化学进行仔细优化以实现所需产物谱。在苄基体系中，双（溴甲基）吡啶脱颖而出，在 brentuximab-MMAE 偶联物中实现了平均DOL 3.95。所得纯化产物具有合理的均质性（通过nSEC-MS测定80% DAR4）。双（溴甲基）苯将这种化学扩展到其他抗体形式，如抗CD4和抗CD13，但缺乏详细的DOL数据。一个密切相关且经工业验证的方法是双溴甲基杂芳族试剂，其已转化为C-Lock?专有重桥接平台，由Sorrento Therapeutics授权。在该系统中，活化的杂芳基双溴甲基支架（如双溴甲基喹喔啉衍生物）作为双亲电试剂重桥接还原的链间二硫键，在温和条件下产生稳定的偶联物，具有高DAR均质性，通常>90% DAR4形成。该平台已广泛应用于临床相关ADC，包括已进入I期临床评估的抗CD38-杜奥他汀偶联物STI-6129，以及临床前验证的ZV0508（一种抗5T4-杜奥他汀ADC），后者表现出高效重桥接（通过HIC测定>90% DAR4）、 potent 体内疗效，且性能优于马来酰亚胺连接类似物。在这些示例中，C-Lock?偶联物在异种移植模型中始终表现出高转化效率和强药理活性，而分析研究（CE-SDS）揭示了产物异质性，包括少量半抗体物种，这是其他二硫键重桥接模式共有的特征。与该平台兼容的即用型药物连接子（STI-8811）可在MedChemExpress购买（见表S2）。 烯丙基体系如3-溴-2-（溴甲基）丙-1-烯揭示了亲核取代途径的一个局限，即产物分布受抗体背景强烈影响。基于已发表SDS-PAGE凝胶的密度分析，曲妥珠单抗的总转化率达89%，而利妥昔单抗仅为65%，凸显了重桥接效率存在显著的抗体依赖性差异。二卤代丙酮提供了更通用的平台，涵盖Fab和完整抗体，并可容纳多种载荷（脂肪酸、MMAF、DM1），DOL值范围从1.0到4.0；然而，根据重桥接后载荷连接的效率，总产率差异很大（从>95%到低至30%）。总体而言，基于亲核取代的试剂表现出相当大的结构多样性和载荷兼容性，但通常以一致的全抗体重桥接和可预测的DOL控制（相对于理想值4.0）为代价。 3.2 加成-消除 加成-消除重桥接化学仍是最成熟且优化最广泛的类别，通常通过具有高选择性和更可预测结果的连续亲核加成和消除步骤进行。下一代马来酰亚胺（NGM）是最突出的代表之一，结合了合成可及性（通常2-5步）和高硫醇反应性。其众所周知的硫醇交换敏感性可通过在弱碱性pH下快速后偶联水解来缓解，从而改善血清稳定性。经典的二溴马来酰亚胺已证明能够接近最佳负载，荧光载荷的DOL值为3.0，细胞毒性阿霉素偶联物的DOL为4.1，表明有效掩蔽了链间二硫键桥。二噻吩马来酰亚胺进一步改进了该支架，实现了高转化率（89-99%）和3.0-3.8范围内的DOL值，从而接近所需的均质性。与许多其他通常需要实验室合成或定制化学外包的二硫键重桥接试剂不同，下一代马来酰亚胺（NGM）衍生物以即用型偶联形式市售（见表S2）。这些系统基于双溴马来酰亚胺（DBM）核心，带有生物正交手柄（表S2），可通过后续生物正交步骤轻松实现成像或治疗功能的模块化引入。一系列常用的反应性标签包括叠氮基、二环[6.1.0]壬炔（BCN）和DABCO（1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷）。值得注意的是，在这些市售衍生物中，目前仅有一种DBM配置可作为完全预组装的药物连接子系统，即DBM-PEG4-vcMMAE构建体，其已包含带有酶可切割肽连接子的细胞毒性载荷，可直接用于ADC生产。基于NGM的大量积累进展，迈威生物的IDconnect?平台代表了一种基于快速水解下一代马来酰亚胺（NGM）化学的新一代半胱氨酸偶联策略。其关键创新在于使用可水解的NGM支架，其将初始的琥珀酰亚胺硫醚快速转化为开环水解形式，从而强烈抑制限制第一代马来酰亚胺ADC稳定性的常见逆迈克尔去偶联和硫醇交换反应。这有效地“锁定”了偶联，产生了更稳定和均质的ADC谱，改善了体内持久性。在迈威的实施中，该化学已应用于临床晚期ADC候选药物，最著名的是迈威生物的bulumtatug fuvedotin，其常被引用为该平台涌现的最先进ADC之一。在临床前和转化开发报告中，IDconnect?衍生的ADC始终表现出高DAR均质性（通常根据构建体设计富集DAR4物种）、改善的血清稳定性和减少的载荷丢失，支持其向后期临床评估推进。在当前工业ADC平台中，这使迈威的系统成为稳定化马来酰亚胺基偶联化学最精细的实施之一。 与二噻吩型NGM类似，重桥接试剂OxSTEF也通过加成-消除机制反应。这些试剂源自早期的STEF试剂，后者通过半胱氨酸选择性硫醇交换机制 followed by 不可逆的硫到氮酰基迁移反应。然而，OxSTEF试剂因其反应性降低而避免了赖氨酸修饰。尽管如此，其在抗体偶联物（ADC）中的应用导致中等转化率，完整抗体通常为30-48%，半抗体为29-48%。其一个显著特征是在肿瘤相关条件下易受谷胱甘肽介导的切割，这可被用于靶向载荷释放，但也可能带来脱靶风险。这种反应性可通过二次功能化（如肟连接）来稳定，已在肽偶联物中得到证实，但尚未转化到ADC中。二溴哒嗪二酮（DBPD）被设计为二溴马来酰亚胺的更稳定的类似物，保留了这些有利特性同时提高了稳健性；其在曲妥珠单抗上常规实现4.0至4.2之间的DOL值，甚至可实现双载荷偶联（如阿霉素和sulfo-Cy5），而不损害化学计量比。其重桥接在两种形式中均高效：完整抗体通常达到与所有可用链间二硫键重桥接一致的DOL值，而Fab片段的DOL～1.0，反映了可及二硫键数量的减少。溴离去基团的优越性通过二氯哒嗪二酮得到明确证明，后者产生几乎等量的完整抗体和半抗体（49% vs. 51%）。基于不断扩展的哒嗪二酮基化学工具箱，二溴哒嗪二酮（DBPD）近期已走向商业化。除标准的单一生物正交手柄（如二环[6.1.0]壬炔（BCN）、二苯并环辛炔胺（DBCO）、四嗪和叠氮基）外，DBPD平台还以双正交形式独特市售，包括BCN/炔烃和四嗪/叠氮基组合（见表S2）。这些双功能试剂为更复杂的下一代架构（包括双特异性和双载荷ADC）提供了直接途径，其中在单一重桥接支架内可实现多步偶联策略。其他试剂如DiPODS进一步扩展了范围，在曲妥珠单抗Fab上实现>95%的转化率，DOL～1.0（通过MALDI-TOF MS测定），与选择性单二硫键靶向一致。综上所述，这些加成-消除化学（特别是NGM和DBPD）提供了通往均质ADC的最可靠途径，DOL值接近理想的4.0，同时可容纳广泛的载荷和抗体形式。此外，芳香亲核取代（SNAr）也已成为二硫键重桥接中可用的化学机制，以二溴吡嗪（BUPY）试剂为例。这些系统利用缺电子芳香核心实现逐步硫醇取代，与经典脂肪族亲电试剂相比提供了独特的反应谱。在曲妥珠单抗Fab背景下，二溴吡嗪实现了优异的转化率（>95%），DOL为1.0，证明了在单二硫键水平上的高效选择性重桥接。扩展到完整抗体揭示了更复杂的图景，因为无载荷系统显示出显著的半抗体形成（47%完整 vs. 46%半抗体），但引入TAMRA或DM1等载荷后，实现了高效重桥接，DOL值～4.0-4.1。二溴吡嗪能够容纳荧光和细胞毒性载荷，同时达到接近理想的DOL，凸显了其作为下一代重桥接试剂的日益增长的潜力，且近期已市售（见表S2）。 3.3 亲核加成 二硫键重桥接的亲核加成（AdN）策略依赖于半胱氨酸硫醇对活化不饱和体系（最突出的是炔烃和缺电子多重键）的直接进攻，无需离去基团。其中，磷基亲电试剂已被广泛研究，代表了一个化学丰富的平台。二乙炔基三唑基氧化膦是最先进的例子之一，能够高效重桥接曲妥珠单抗与MMAE等细胞毒性载荷，DOL值接近理论最优（3.8-4.0），同时也支持荧光偶联物，尽管选择性较低，表现为显著的半抗体形成（57%完整抗体，35%半抗体）。密切相关的二乙炔基次膦酸酯也支持高效偶联，DOL值接近4，进一步证实了活化炔烃对双硫醇捕获的适用性。相比之下，炔基膦酰胺酸酯是效果较差的子类，仅形成半抗体物种，且转化率相当低（～33%）。这种局限源于固有的反应性不匹配，通常只有一个硫醇与不饱和体系有效反应。亚芳基二丙炔腈（ADPN）通过提供更刚性和电子调谐的支架克服了部分这些缺点；特别是其在曲妥珠单抗-MMAE偶联物中实现4.0至4.5的DOL值，使其成为最有效的AdN基系统之一。总体而言，亲核加成策略提供了一个高度模块化的平台，具有广泛的载荷兼容性，但需要平衡亲电性以实现两个硫醇的 sequential 捕获，而不会产生过多的半抗体物种。 迈克尔型亲核加成是AdN化学的一个专门且高度发展的子集，可以说是半胱氨酸选择性生物偶联中应用最广泛的范式。然而，迈克尔型亲核加成试剂的主要缺点是偶联反应的可逆性，这可能导致不稳定或需要额外的化学步骤以避免不良的非特异性载荷释放。马来酰亚胺仍是典型例子，结合了高反应性和操作简便性，尽管其对逆迈克尔反应的敏感性仍是已知缺陷。尽管如此，先进构建体如含双马来酰亚胺的SG3710载荷展示了该方法的全部潜力，实现了曲妥珠单抗Fab的近定量重桥接（>97%转化率），单二硫键的预期DOL为1.0。除马来酰亚胺外，二乙烯基体系，特别是二乙烯基嘧啶，已成为高度可靠的试剂，在广泛的载荷（包括Alexa Fluor染料、MMAE、TAMRA和阿霉素）中始终提供DOL值紧密聚集在4.0左右的均质曲妥珠单抗偶联物。即使在双载荷设置中，这些试剂仍保持对化学计量比的优异控制，而更复杂的架构（包含多个二乙烯基嘧啶单元）可实现亚化学计量DOL值（0.76-0.90）的全局抗体重桥接。相比之下，二乙烯基三嗪尽管结构相似，但表现较差，主要产生半抗体物种（如63%），即使正式DOL接近4.0，凸显了迈克尔受体反应性对杂芳族取代模式的敏感性。值得注意的是，四-二乙烯基嘧啶（tetraDVP）支架被证明可通过单一连接子分子同时重新连接IgG1抗体的所有四个链间二硫键，从而能够直接从天然抗体制备高度均质的DAR=1 ADC，无需抗体工程或不对称载荷构建体。重要的是，尽管这种八半胱氨酸重桥接过程结构复杂性相当高，但偶联效率和产物均质性在很大程度上得以保留，半抗体物种的形成极少。乙烯基磺酰胺进一步体现了迈克尔受体的可调性，可实现DOL值从低于1到高达～7.7的变化，具体取决于抗体（曲妥珠单抗、贝伐珠单抗、西妥昔单抗）、载荷（MMAE、荧光素、雷公藤甲素、combretastatin A4）和反应条件；然而，这种广度是以产物异质性为代价的，通常产生DOL 0、2和4物种的混合物。其他亲电试剂如3-溴-5-亚甲基吡咯酮扩展了范围至替代活化烯烃，但通常产生较低的DOL值。一个特别重要的子类是双砜，历史上被单独分类，但通过消除反应原位生成反应性中间体，从而参与迈克尔型加成。这些试剂构成了ThioBridge?二硫键重桥接平台的基础，目前由Abzena授权，并已开发出多种处于临床试验阶段的ADC。ThioBridge?偶联通常提供受控DAR产物，转化率在70-95%范围内。此外，所得偶联物相对于传统马来酰亚胺连接表现出改善的血浆稳定性，而模块化试剂架构允许掺入支化载荷以实现聚乙二醇化侧链、高DAR构建体、双载荷和双特异性形式。尽管如此，双砜基试剂已应用于多种抗体形式，包括小鼠IgG亚类和曲妥珠单抗，通常提供高转化率（>88-95%），DOL值范围2.3-4.0，但常无法达到理想的4.0值。尽管早期双磺酸试剂存在水溶性有限和反应动力学相对较慢的问题，但后续几代已大幅改善了这些特性，促进了ThioBridge?和相关的StapleAld衍生系统等商业化先进且临床验证的二硫键重桥接技术的出现。StapleAld基于不饱和醛化学，表现出增强的反应性和减少的半抗体形成（14-27%），同时提供2.3-4.0范围内的DOL值，并可通过肟连接或Wittig化学实现进一步功能化。综上所述，迈克尔型亲核加成为ADC构建提供了一个通用且可调的框架，能够产生均质偶联物和功能多样的架构。 3.4 其他二硫键重桥接机制 几种重桥接策略不属于经典的取代或加成类别，代表了具有独特机制特征的创新化学技术。这些包括光化学方法、有机金属化学、多步或环化策略。光化学重桥接方法提供快速偶联时间，但常受限于产率较低。例如，溴马来酰亚胺介导的[2+2]光环加成在仅5分钟紫外照射下实现了Fab重桥接，转化率为42%。光活化迈克尔型加成同样允许在长时间紫外照射下重桥接M14-G07抗体的Fab，但转化率仅～40%。尽管这些策略在机制上引人注目并允许精确的时间控制，但其产率相对于传统重桥接试剂仍不理想。乙炔基苯并碘唑酮（JW-AM-005）代表了一种结合亲核取代和加成的混合机制。它具有双硫醇反应位点、Cu(I)可切割连接子和用于进一步功能化的叠氮手柄。该试剂已成功重桥接多种Fab片段，包括曲妥珠单抗、阿维鲁单抗、贝伐珠单抗和利妥昔单抗，转化率为46-84%，DOL接近1.0。其在多种抗体上的高通用性和可重复性使其成为特别有前景的试剂，尽管多步制备和纯化要求限制了合成可及性。有机金属Pt(II)基试剂利用金属配位进行抗体重桥接，并允许每个二硫键掺入多个载荷。对于曲妥珠单抗和西妥昔单抗Fab片段，反应实现了0.6-1.9的DOL值，Fab偶联物的转化率高达95%。尽管该方法可最大化载荷密度，但需要仔细控制以避免聚集，且试剂的可获得性和复杂性限制了更广泛的应用。 环化策略，如双腈介导的重桥接，提供了另一种途径，其中环状结构稳定偶联物。这些方法已应用于曲妥珠单抗及其Fab片段，有时掺入荧光载荷，但报道的产率和DOL值仍未得到充分探索。总之，这些方法展示了广泛的机制多样性，从选择性硫醇交换到光化学、有机金属、环化和混合光环化策略。尽管一些试剂（如乙炔基苯并碘唑酮）表现出高通用性和良好转化率，但其他试剂仍需进一步优化。 4.二硫键重桥接ADC的体外和体内验证 重桥接ADC的生物学性能通常通过体外细胞毒性试验和体内肿瘤模型相结合进行评估（见表1）。多项研究报道，使用二硫键重桥接策略生成的ADC在肿瘤细胞中表现出强大的抗增殖活性，当偶联MMAE等强效载荷时，细胞毒性常达到皮摩尔范围。除细胞水平试验外，有前景的ADC构建体还通过异种移植肿瘤模型进行进一步体内评估。这些研究提供了对偶联物肿瘤生长抑制、药代动力学、稳定性和治疗 efficacy 的见解。几种重桥接化学，包括哒嗪二酮基连接子和其他二硫键重桥接策略，已证明能够生成在体内诱导显著肿瘤消退的ADC。除经典二硫键重桥接策略外，近期进展引入了可产生稳定抗体偶联物的替代连接子化学。模块化重桥接方法和下一代连接子系统已被证明可产生具有改善稳定性和受控偶联位点的生物活性ADC。这些发展进一步凸显了重桥接策略支持均质高效ADC设计的潜力。总体而言，这些研究表明，重桥接化学不仅提供了对抗体修饰的精确控制，还转化为具有治疗意义的成果。 下一代马来酰亚胺（NGM）连接子能够进行半胱氨酸重桥接（最突出的是二溴马来酰亚胺（DBM）和二噻吩马来酰亚胺（DTM）衍生物），通过增强的稳定性和均质性，已证明可显著改善抗体偶联物（ADC）的生物学性能。聚焦DBM系统，其MMAF偶联衍生物已在多种抗体偶联物中得到评估（如应用于乳腺癌、肺癌和卵巢癌模型的HER2和CD98靶向抗体），从而强调了这种重桥接方法在不同癌症模型中的普适性。体外实验中，DBM基ADC保留抗原结合能力，表现出高 potency 和严格的抗原依赖性细胞毒性，在低纳摩尔水平对抗原阳性细胞系具有选择性活性，同时不损伤抗原阴性对照；重要的是，其活性与传统马来酰亚胺ADC相当。然而在体内，DBM重桥接ADC显示出更显著的优势：在卵巢（SKOV3）肿瘤异种移植模型中，它们诱导 superior 的肿瘤生长抑制和完全缓解，优于未偶联抗体和传统马来酰亚胺基ADC类似物。DTM连接子的平行开发进一步验证了NGM概念：DTM基ADC甚至片段形式偶联物（包括scFv构建体）实现了亚纳摩尔 potency（～0.3-0.7 nM），具有严格的HER2依赖性选择性，与载荷（MMAE vs. MMAF）或连接子可切割性无关。这些系统在HER2阳性SKBR-3细胞中保持高细胞毒性，同时消除脱靶毒性，与游离载荷形成对比。此外，已对NGM变体（二溴、二噻吩和杂化系统）进行了比较研究，结果证实了一致的低纳摩尔IC50值，且相对于临床基准（如曲妥珠单抗 emtansine）具有 superior 或相当的 efficacy。 另一类重要的重桥接试剂是哒嗪二酮（PD），其表现出卓越的血清稳定性（7天孵育）， coupled with 体外 exquisite 靶点选择性和细胞毒性。高度均质的DAR 4 MMAE负载ADC在HER2阳性HCC1954乳腺癌细胞中表现出低纳摩尔至皮摩尔IC50值，而在HER2阴性MCF-7对照细胞中的 potency 减弱了两个数量级以上。将这些指标转化到HCC1954异种移植体内模型，给予ADC后诱导了快速肿瘤抑制。此外，还进行了DBPD重桥接曲妥珠单抗Fab与全长mAb-阿霉素（DOX）偶联物的体外水平比较。评估了PD重桥接Fab-DOX和全长单克隆抗体-阿霉素（mAb-DOX）偶联物对BT-474人乳腺癌细胞系的体外抗增殖活性。孵育后，重桥接Fab和mAb构建体均表现出剂量依赖性细胞毒性，IC50值处于低微摩尔范围。尽管这种绝对 potency 明显低于当代配备亚纳摩尔或皮摩尔微管抑制剂（如MMAE、DM1）的ADC，但这些微摩尔值与蒽环类药物的固有药理特性完全一致。至关重要的是，这些结果验证了重桥接平台的体外功能可行性，并确认较小的Fab片段和全长mAb架构均可成功经历受体介导的内化和随后的载荷递送以引发治疗反应。 验证二溴吡嗪（BUPY）重桥接ADC时，生物模拟试验（牛血清，补充1 μM GSH，37 °C，7天）证实了曲妥珠单抗-BUPY-TAMRA偶联物的生理稳定性。荧光凝胶成像显示无重链/轻链解离，且无游离荧光团转移到血清蛋白中。这种细胞外稳定性直接转化为高度特异性的体外细胞毒性，BUPY重桥接构建体（曲妥珠单抗-BUPY-DM1）在SKOV-3细胞中表现出优于HER2低表达MDA-MB-231对照的抗增殖 efficacy（分别为66 nM和252 nM）。 通过双马来酰亚胺吡咯并苯二氮?（PBD）二聚体载荷SG3710重桥接的Fab-药物偶联物（FDC）表现出卓越的结构完整性和靶向治疗 efficacy。在大鼠血清中37 °C下进行的15天血清稳定性评估显示无可测量的细胞毒性载荷丢失，强调了双马来酰亚胺重桥接化学的稳健性。此外，在一系列HER2表达的乳腺癌细胞系中进行的体外细胞毒性试验进一步验证了该平台的 potency 和特异性。基于曲妥珠单抗的FDC表现出对高表达SKBR-3细胞的 potent、抗原依赖性杀伤，与全长ADC相当。值得注意的是，在低表达的MDA-MB-453细胞上观察到 potency 降低30倍，而HER2阴性的MDA-MB-468细胞对该治疗不敏感。同型对照偶联物证实，作用机制严格由特异性抗原结合及随后的内化介导，使这些重桥接FDC成为肿瘤学中传统ADC架构的高度稳定和选择性替代方案。 然而，该领域通过亲核加成机制发挥作用的最先进重桥接试剂无疑是二乙烯基嘧啶（DVP）。为证明其生物学相关性，在HER2阳性SKBR-3和HER2阴性MCF7细胞中进行了曲妥珠单抗-DVP-MMAE的细胞活力试验。MMAE此前被报道对两种细胞系均表现出亚纳摩尔IC50细胞毒性。曲妥珠单抗-DVP-MMAE对HER2阳性细胞系SKBR3的IC50值为26 pM。在HER2阴性MCF7细胞上未观察到显著细胞毒性活性，表明IC50值超过30 nM。DVP介导的曲妥珠单抗二硫键重桥接能够生成带有可切割（C）或非可切割（NC）连接子的ADC，两者均保留高抗原特异性，并表现出 potent、靶点依赖性细胞毒性。在HER2阳性和HER2阴性乳腺癌细胞系中的体外评估表明，曲妥珠单抗-DVP-cMMAE和曲妥珠单抗-DVP-ncMMAE均在HER2过表达模型（SKBR3、BT474）中诱导强效、剂量依赖性细胞毒性，同时在HER2阴性细胞中保持宽治疗窗，活性极低（>100 nM）。可切割构建体仅显示出边际 potency 优势，表明在该平台内，连接子设计对整体细胞 efficacy 的影响有限。所有这些ADC的IC50值均处于低纳摩尔范围（SKBR-3上为20-70 nM，BT474上为50-100 nM）。这些数据表明构建体之间的 potency 大体相当，可切割连接子具有一致但适度的优势，与其预期的细胞内释放机制一致。此外，研究表明两种ADC（带可切割/非可切割连接子）均能将其强大的体外选择性转化为高体内 efficacy。在BT474异种移植模型中，ADC产生了剂量依赖性肿瘤反应，1 mg kg-1剂量下无显著活性，但10-20 mg kg-1剂量下实现完全且持久的肿瘤消退，与仅诱导短暂生长延迟的曲妥珠单抗形成鲜明对比。重要的是，这些构建体耐受性良好，无体重减轻、无临床毒性，且主要器官无组织病理学损伤，凸显了DVP偶联赋予的良好安全性 profile。值得注意的是，tetraDVP平台能够精确调节DAR值，凸显了低DAR物种作为异常均质且结构明确的ADC架构的潜在效用。在细胞毒性试验中，相应的ADC表现出对HER2阳性SKBR-3和BT474细胞的 potent、浓度依赖性杀伤，而HER2阴性细胞系基本不受影响。在体内，这些构建体在BT474异种移植模型中产生了剂量依赖性肿瘤消退，较高剂量下包括完全缓解。 作为另一类经过充分研究的亲核加成基重桥接试剂子类，使用二乙烯基砜（DVS）试剂的二硫键重桥接为位点选择性ADC构建提供了替代途径。曲妥珠单抗-DVS-MMAE表现出与临床验证ADC相当的 potent 和抗原依赖性活性。体外实验中，DVS重桥接偶联物在HER2阳性SKBR-3细胞中表现出强细胞毒性（IC50=4.8 nM），与曲妥珠单抗 emtansine（IC50=6.4 nM）的 potency 紧密匹配，同时在HER2阴性细胞系中活性显著降低（>500 nM），证实了DVS重桥接后保留了宽治疗窗和靶点特异性。将该策略扩展到EGFR靶向背景，西妥昔单抗-DVS-MMAE偶联物在EGFR阳性HCC827细胞中表现出亚纳摩尔 potency（IC50=0.5 nM），而在EGFR阴性模型（NCI-H2228）中仍无活性，进一步强调了受体介导的内化和载荷递送的效率。在体内，西妥昔单抗-DVS-MMAE偶联物在重复静脉给药（20 mg kg-1）下诱导了HCC827异种移植瘤的显著肿瘤生长抑制，未观察到体重减轻或全身毒性，表明耐受性良好。重要的是，连接子设计和载荷特性共同决定了ADC治疗的结果。连接子设计及其递送的载荷特性共同决定了ADC治疗的结局。这一效应通过载荷多样化使用combretastatin A4（CA4）得到进一步强调，其中西妥昔单抗-DVS-CA4偶联物尽管游离CA4在耐受剂量下无 efficacy，却实现了持续的肿瘤消退。这一观察表明，ADC介导的递送可以克服载荷固有的药理局限性。值得注意的是，西妥昔单抗-DVS-CA4在NCI-H1975-GFP人肺癌异种移植模型中显示出强大的体内 efficacy，伴有明确的肿瘤选择性坏死证据，同时具有优异的耐受性、无体重减轻以及主要器官无组织病理学损伤。总体而言，这些发现凸显了DVS介导的重桥接产生了高效且选择性的ADC，该偶联物验证了该方法在多种应用靶向单克隆抗体、连接子化学和递送载荷中的适用性，从而将DVS化学定位为下一代ADC开发的稳健平台。 除DVP和DVS基系统外，越来越多的亲核加成驱动二硫键重桥接试剂类别支持位点选择性ADC构建的通用性，特别是在曲妥珠单抗-MMAE偶联物和相关靶向平台的背景下。例如，二乙炔基氧化膦（DPO）重桥接产生了具有高效细胞内载荷递送和优异选择性的异常 potent 构建体。曲妥珠单抗-DPO-MMAE在HER2阳性SKBR-3细胞中表现出亚纳摩尔活性（IC50=0.1 nM），同时在抗原阴性模型中保持完全无活性。类似地，亚芳基二丙炔腈（ADPN）基重桥接增强了这一趋势，曲妥珠单抗-ADPN-MMAE表现出超高 potency（IC50=0.02 nM）以及相对于HER2阴性细胞～200倍的选择性窗口，使这些连接子能够最大化治疗指数。除HER2靶向外，双（乙烯基磺酰基）哌嗪（BVP）重桥接能够构建稳定的ADC，如mAb401-BVP-MMAE，靶向B7-H3表达的胶质母细胞瘤模型。该构建体表现出高血清稳定性，21天内载荷释放极少， coupled with 抗原依赖性细胞毒性（B7-H3阳性细胞中IC50为13-35 nM，而B7-H3敲除细胞中～240 nM）、高效的体内肿瘤定位以及剂量依赖性肿瘤消退，较高剂量下实现完全缓解，且无观察到的全身毒性。此外，双砜（BS）介导的二硫键重桥接的效率和选择性载荷递送已通过构建均质MMAE基ADC得到验证，特别是在曲妥珠单抗-BS-MMAE等HER2靶向偶联物的背景下。在Fab和mAb两种形式中，这些偶联物均表现出 potent 和抗原选择性细胞毒性。Fab-BS-MMAE在HER2阳性SKBR-3细胞中的活性与游离MMAE相当，而在抗原阴性模型中的 potency 降低了约3个数量级。在体内，Fab（DAR～1）和全长抗体（DAR～2.8）构建体均在BT-474异种移植瘤中表现出显著的肿瘤生长抑制。全长ADC显示出剂量依赖性反应，较高剂量下实现完全肿瘤消退，且明显优于未偶联抗体和游离药物，同时保持优异的耐受性。重要的是，对明确DAR物种（1/2/3/4）的系统评估进一步凸显了清晰的DAR-efficacy关系。增加药物负载提高了基于ADC的 potency，最终DAR 4偶联物成为活性最高的物种（SKBR-3上IC50=0.04 nM），即使在HER2低表达模型中也优于曲妥珠单抗 emtansine。这种趋势转化到体内实验，其中DAR 3/4偶联物产生最大肿瘤生长延迟，DAR 4实现完全无瘤生存，且无额外毒性负担。总体而言，这些研究确立了双砜重桥接作为一种稳健且可扩展的偶联策略，具有精确的DAR控制、优异的体内稳定性和通过可控药物负载实现的可调 efficacy。 5.二硫键重桥接ADC的临床管线 重桥接基ADC技术的临床转化才刚刚起步，但该领域已明确从概念验证偶联化学向人体评估迈进。从生物学角度看，这一转变很重要，因为它表明连接子稳定性、偶联物均质性和抗体完整性的改善不仅可能支持体外 potency 和体内 efficacy，还能推进临床开发。当前的临床示例表明，二硫键重桥接策略正开始影响下一代ADC开发，针对实体瘤。此外，与临床ADC候选药物并行，几种市售偶联平台塑造了该领域的转化格局。IDconnect?、C-Lock?、ThioBridge?和早期二硫键桥接等技术旨在改善相对于传统随机半胱氨酸偶联的生产性、偶联物均质性和载荷安装控制。然而，C-Lock?和ThioBridge?方法与重桥接领域更直接相关，因为它们依赖于链间二硫键重桥接，并通过STI-6129、MBRC-101和OBI-999等项目具有更明显的临床相关性。早期的二溴马来酰亚胺衍生策略在历史上也很重要，因为它们帮助确立了蛋白质水平选择性二硫键桥接的可行性，从而为后续重桥接平台铺平了道路。 这些基础性发展现已促成临床晚期重桥接ADC的出现，证明二硫键重桥接不仅是一种概念性的生物偶联策略，更是一种可行的治疗平台。最值得注意的是，bulumtatug fuvedotin（9MW2821）近期已进入III期临床评估，据研究人员目前所知，这是首个达到该临床开发阶段的二硫键重桥接ADC平台。9MW2821是迈威生物利用其专有IDconnect?位点特异性偶联技术开发的下一代Nectin-4靶向ADC。该构建体由人源化抗Nectin-4抗体通过可切割缬氨酸-瓜氨酸连接子和可水解双取代马来酰亚胺支架与单甲基 auristatin E（MMAE）偶联而成，可实现链间半胱氨酸重桥接，从而生成高度均质的DAR4产物。临床前研究表明，其具有高效的Nectin-4依赖性内化、 potent 旁杀活性和广泛的抗肿瘤 efficacy，涵盖多种异种移植和患者来源肿瘤模型，在多个病例中同等暴露下优于enfortumab vedotin。重要的是，该ADC在 non-human 灵长类动物中也表现出相对于enfortumab vedotin改善的耐受性 profile，表明位点特异性链间二硫键偶联策略可能提供显著增强的治疗指数。早期临床研究（NCT05773937、NCT05216965）进一步支持了这一假设，证明在多种Nectin-4阳性实体瘤（包括尿路上皮癌、宫颈癌和食管癌）中具有令人鼓舞的抗肿瘤活性和可管理的毒性。总体而言，这些发现将9MW2821定位为当前开发中临床最先进且最具说服力的位点特异性二硫键重桥接ADC平台之一。迈威生物通过IDconnect?偶联平台开发的其他ADC也已进入临床研究阶段。在临床前研究中，包括携带多种突变的患者来源异种移植（PDX）模型中，7MW4911诱导了强大的抗肿瘤活性，肿瘤生长抑制值范围为71%至99%。值得注意的是，该ADC在多药耐药（MDR）模型中表现出优于MMAE基和DXd基ADC的 efficacy，凸显了其克服耐药相关癌症表型的潜力。这些有前景的临床前研究促成了正在进行的I/II期研究（NCT07216560），针对结直肠癌和其他晚期胃肠道（GI）恶性肿瘤。9MW2921是一种新型TROP-2靶向ADC，采用位点特异性连接子工程化以偶联Mtoxin（一种新型喜树碱衍生载荷）。临床前和早期临床发现（NCT05990452）表明，9MW2921在晚期子宫内膜癌（EC）、HR+/HER2-乳腺癌（BC）、HER2-胃癌（GC）和非鳞状非小细胞肺癌（nsq-NSCLC）患者中表现出良好的耐受性和有效的抗肿瘤活性。基于IDconnect?平台的下一款ADC是7MW3711，一种B7-H3导向的ADC，由重组人源化抗B7-H3单克隆抗体通过蛋白酶可切割连接子与拓扑异构酶I抑制剂连接而成。临床前和早期临床结果（NCT06008379、NCT07466160）表明，7MW3711在小细胞肺癌（SCLC）和鳞状非小细胞肺癌（Sq-NSCLC）中表现出有前景的抗肿瘤活性，同时保持良好的可管理的安全性 profile。 另一项早期临床转化是MBRC-101，一种携带MMAE载荷的抗EPHA5 ADC，使用ThioBridge?平台开发。当前临床记录（NCT06014658）将MBRC-101描述为首个人体开放标签I/Ib/II期研究，针对标准治疗难治的晚期转移性实体瘤患者。I期已成功完成，Ib期仍在进行中。该候选药物特别相关，因为其临床前数据包包括EPHA5阳性细胞的浓度依赖性杀伤和 potent 抗肿瘤活性，包括多种患者来源异种移植模型中的完全肿瘤消退，从而提供了从重桥接赋能的ADC设计到临床开发的强转化桥梁。 另一款重要的临床阶段重桥接DR5靶向ADC是Oba01（也称为OBI-01）。该构建体由激动性人源化抗DR5 IgG1抗体zaptuzumab通过可切割缬氨酸-瓜氨酸连接子与单甲基 auristatin E（MMAE）偶联而成，采用ThioBridge介导的链间二硫键重桥接化学。在大鼠和食蟹猴中的临床前药代动力学和毒理学研究显示出良好的稳定性、最小的系统性载荷释放，以及相对于游离MMAE或其前代构建体显著改善的耐受性。在多种DR5阳性白血病和胰腺癌模型中，Oba01在体外和体内均表现出 potent 和选择性抗肿瘤活性，包括CDX系统中的持久完全缓解和临床相关PDX模型中的强 efficacy。总体而言，这些发现将Oba01定位为当前处于I期临床评估的最先进二硫键重桥接ADC之一（NCT06083870），初步临床结果预计于2026年公布。 另一款接受临床研究的二硫键重桥接ADC是OBI-999，一种Globo H靶向构建体，由人源化抗体OBI-888通过ThioBridge连接策略与MMAE连接而成。OBI-999基于令人信服的临床前证据进入I期研究（NCT0484366），包括在乳腺癌、胃癌和胰腺癌异种移植模型以及肺癌患者来源异种移植模型中的 potent 剂量依赖性肿瘤生长抑制。在已发表的首个人体I期研究中，OBI-999显示出可控的安全性 profile 和初步抗肿瘤活性信号，支持进一步临床开发。这些临床进展共同验证了二硫键重桥接作为一种转化性生物偶联策略的可行性，并为下一代ADC的理性设计提供了关键见解。

武汉理工大学化学化工与生命科学学院秦华利课题组Bioorganic Chemistry综述：Chemical and biology of sulfur fluoride exchange (SuFEx) click chemistry for drug discovery。 武汉理工大学化学化工与生命科学学院秦华利教授综述了磺酰氟类化合物在各种治疗应用领域的最新研究成果。我相信，这篇综述文章将为大家提供新的思路，有助于研发出毒性更低、效果更佳的药物。 01 引言 以磺酰氟为基础的活性探针已成为化学生物学领域中非常有用的工具。由于磺酰氟在生理条件下的反应性与稳定性之间具有理想的平衡，这一官能团常被用作共价蛋白抑制剂和生物探针（见图 1）。最近，人们也在积极探索芳香族磺酰氟在有机化学中的新应用，这些应用包括用作氟化试剂、进行F放射性标记，以及利用硫交换“点击化学”反应来合成磺酰化化合物。 图 1. 一些具有代表性的生物活性磺酰氟衍生物。 磺酰氟能修饰大多数氨基酸侧链，但其与蛋白质的反应需要特定环境，所以只有当它结合到蛋白质的活性位点或结合口袋中时才会发生反应。这意味着磺酰氟不是随机、无差别地修饰蛋白质，而是具有靶向选择性。此外，芳基结构通过共轭效应稳定了磺酰氟基团，降低了其亲电活性，使其在含水生理环境中更耐水解。将磺酰氟基团连接到目标生物分子上，对分子整体亲脂性影响很小，不会显著改变分子的细胞通透性和其在生物体内的分布行为，因此磺酰氟是一个理想的生物共价弹头。 此外，磺酰氟结构单元是生物支架中的首选结构，其典型代表是广泛使用的(2-氨基乙基)苯磺酰氟（AEBSF）、其盐酸盐Pefabloc®，以及苯甲酰甲磺酰氟（PMSF）作为丝氨酸蛋白酶抑制剂，在细胞裂解液的制备中被广泛应用（图2）。磺酰氟还被用作化学生物学探针，用于靶向亲核氨基酸；例如，50-氟磺酰苯酰50-腺苷（FSBA）是一种ATP结合蛋白抑制剂，可共价结合到赖氨酸残基上。磺酰氟在氟化试剂方面也展现出良好的应用前景特别是Doyle等人近期的研究表明，2-吡啶磺酰氟（PyFluor）具有作为选择性、热稳定性好且成本低廉的脱氧氟化试剂的潜力。 图 2. 用作生物探针和化学试剂的磺酰氟。 对于这类磺酰氟化物，目前仅有少数几种制备方法。传统的制备方法是用氟离子取代磺酰氯的亲核取代反应，必须严格无水，否则磺酰氟会得到水解副产物磺酸。最近，Liskamp报道了将磺酸钠与二乙氨基三氟化硫（DAST）反应的新方法，然而，这种方法同样需要无水条件，因为DAST对水分极为敏感。 一种常用的方法是利用反应性极高的迈克尔受体乙烯基磺酰氟(ESF)通过 1,4-加成反应来实现合成。这类反应产率很高，但由于试剂本身的特性，产物仅限于乙基连接的磺酰氟（即 -CH₂CH₂-SO₂F 结构）（见方案 1a）。预先制备的磺酸酯（R-SO₂-OR'）经 DAST（二乙氨基三氟化硫）处理，也可转化为磺酰氟，但产率中等。 另一种途径是通过磺酰氯（R-SO₂Cl）转化：与有毒的氟化氢钾（KHF₂）反应是最实用的方法；也可用 KF/18-冠-6 等替代试剂（见方案 1b）。不幸的是，磺酰氯本身往往难以制备，且其高反应活性导致它们即使在短合成序列中也无法保持完整。 此外，这些方法常与高功能化的生物活性分子不兼容，而这类分子正是磺酰氟常被修饰的对象。因此，迫切需要一种温和的、后期功能化策略可以解决这些问题，特别是能显著提高对敏感官能团的耐受性。 方案 1. 常见的磺酰氟化物合成路线代表性实例。 尽管对芳基磺酰氟的关注日益增加，但其合成仍面临诸多挑战。目前最常用的合成方法需要相应的磺酰氯和氟离子源（如KFHF、HF等）。然而，这种方法存在多个问题。第一是前体制备困难，合成磺酰氯需使用强酸、氧化剂或易爆的芳基重氮盐，这些试剂与多种官能团不兼容，限制分子后期修饰；第二是操作稳定性差，某些磺酰氯遇水快速分解，导致操作困难并产生副产物。现有方法对磺酰氯中间体的依赖是根本原因，因此迫切需要绕过磺酰氯的新型合成策略。 02 磺酰氟的合成方法 T. Davies 等人报道了一种一锅法合成芳基磺酰氟，该方法以钯催化剂、DABSO（(1,4-二氮代双环[2.2.2]辛烷-双(二氧化硫)）作为SO₂源，并在75°C下使用Et₃N碱，得到中间产物20，随后在室温下对生成的亚砜离子进行原位处理，加入亲电性氟源NFSI，最终得到目标产物21（方案 2）。此外，T. Davies等人还利用类似的反应条件和方法，通过格氏试剂合成了磺酰氟（方案 3）。 方案 2. 以芳基溴化物为原料，一锅法合成芳基磺酰氟。 方案 3. 以芳基溴化物为原料，一锅法合成芳基磺酰氟。 A. L. Tribby及其同事开发了一种一步法合成芳基磺酰氟的工艺。该工艺以芳基碘化物为原料，使用钯催化剂、DABSO作为 SO2的供给源，再通过Selectfluorto试剂来生成芳基磺酰氟。该方法的产率良好至优异（见方案 4）。 方案 4. 以芳基碘化物为原料，一锅法合成芳基磺酰氟。 Y. Chen及其同事报道了在90℃条件下，利用铜催化剂、DABSO作为 SO₄²⁻的来源，以及DMPU作为辅助试剂，能够实现从芳基硼酸一步合成芳基磺酰氟。首先得到中间体 33，然后将该中间体在室温下与亲电性氟源NFSI反应，最终得到目标产物 34（见方案 5）。 方案 5. 从芳基硼酸一步合成芳基磺酰氟。 M. Tanaka等人报告了在 0℃、大气压下，使用HSO3F-SbF5作为反应介质时，芳香化合物的甲酰化反应情况。通过该反应，生成了新的化合物：甲酰烷基苯磺酰氟（41）以及另一种副产物烷基苯甲醛（42）。其中，甲酰烷基苯磺酰氟的产率相当高（方案 6）。 方案 6. 芳基磺酰氟的合成方法。 H. Kogeyama及其同事报道了2,6-二氯甲苯(43)的氯磺酸化反应过程：在室温下，将氯磺酸逐滴加入2,6-二氯甲苯中，反应2小时后得到产物44。随后，将所得产物在氮气氛围中，于 180°C 下与干燥的K和Ph 4 PBr反应5小时，最终得到磺酰氟(45)，收率良好（方案 7）。 方案 7. 芳基磺酰氟的合成方法。 H. Zhao等人合成了对甲苯磺酰氯46。在室温下，该物质与刚刚制备好的47反应，从而得到产物 48（方案 8）。这一反应非常迅速，能够在室温下高效地实现底物的氟化反应。 方案 8. 芳基磺酰氟的合成方法。 L. Tang等人报告称，他们通过自由基反应途径，首次实现了无需催化剂即可将磺酰肼(49)转化为磺酰氟的反应。该反应方法具有广泛的适用性，且不需要任何金属催化剂或添加剂。所有反应都在水中、温和的条件下顺利进行，从而实现了一种简单、实用且环保的S-F键形成方法。具体而言，磺酰肼在25°C下，以银催化剂和Selectfluor为反应试剂，在水中被转化为磺酰氟（见方案 9）。 方案 9. 芳基磺酰氟的合成方法。 J. A. H. Inkster 等人使用 N-磺酰二烷基氨基吡啶盐来合成芳基磺酰氟。不过，他们按照文献中的方法合成了N-磺酰二甲基氨基吡啶盐（59–61）实际回收率仅为37%，这一结果是由于62与DMAP发生了反应，导致DMAP未能完全从反应混合物中分离出来。实际上，59 的一种双功能衍生物炔基化DMAP盐61也被成功合成，其收率为98%；利用61 可以以84%的收率制备出63（方案 10）。 方案 10. 用N-磺酰二甲基氨基吡啶盐合成苯磺酰氟。 Kirihara等人采用了多种方法来合成磺酰氟。对于这类化合物来说，传统的合成方法是利用氟离子对磺酰氯进行亲核取代反应（使用nBu 4 NF或KF/18-Crown-6作为催化剂）（见方案 11）。不过，这种方法需要严格的无水条件；否则，主要生成的将是水解产物磺酸。Liskamp报道，将磺酸钠与 N,N-二乙氨基三氟化硫反应，可以高效地得到相应的磺酰氟67，这种方法同样需要无水条件，因为 N,N-二乙氨基三氟化硫对水非常敏感。因此，仍然需要一种更简单、对水不那么敏感的磺酰氟合成方法（见方案 11）。 方案 11. 磺酰氟的制备。 磺酰氟69是硫代硫酸盐68与Selectfluor™及水进一步反应的产物。硫代硫酸盐68与 2.5当量的Selectfluor™在水相乙腈中回流条件下，几乎可以定量地得到所需的磺酰氟69（见方案 12）。此外，二对甲苯基二硫化物70或对甲苯硫醇71与Selectfluor™在乙腈/水混合溶剂中回流反应后，也能有效生成磺酰氟 69（见方案 13）。 方案 12. 硫代硫酸盐与 Selectfluor™的反应。 方案 13. 用二硫化物或硫醇合成磺酰氟。 Selectfluor™的亲电氟化能力起着重要作用。此外，Selectfluor™对水具有良好的稳定性，因此可应用于水溶液中。其他耐水性亲电氟化试剂，如Accufluor™（1-氟-4-羟基-1,4-二氮杂双环[2,2,2]辛基双(四氟硼酸盐)铝氧化物）和FP-T300™（1-氟-2,4,6-三甲基吡啶inium三氟甲烷磺酸盐），也适用于硫代磺酸酯和磺酰氟的制备。事实上，在水性乙腈中，对位甲苯二硫醚（70）与Accufluor™或FP-T300™反应，可高产率地生成磺酰氟（73）（方案 14）。 方案 14. 70与亲电性氟化试剂的反应。 03 磺酰氟探针在生物医学领域的应用价值 磺酰氟类探针在化学生物学和药物化学领域有着广泛的应用价值，最近，研究人员用SF探针开发了一系列转甲状腺素蛋白(TTR)抑制剂，这些抑制剂能与甲状腺素结合位点中pKa值异常的赖氨酸发生共价反应。此外，基于AEBSF（一种常用的丝氨酸蛋白酶失活剂）也开发了SF反应性探针。基于以上研究，Hett等人以化合物D153249 (74)为先导结构，合理设计了三种位置异构体（邻、间、对位）的SF探针，旨在探索构效关系，开发DcpS的共价抑制剂（见图 3）。最终发现，77-yne（对位异构体77的炔基衍生物）是一种强效的DcpS抑制剂。 图 3. 磺酰氟类化合物作为 DcpS 的强效抑制剂。 Brouwer等人利用基于氨基酸的新型磺酰氟电负性捕获剂，成功合成了多种高效的蛋白酶体抑制剂。他们总共设计了24种肽基磺酰氟抑制剂，这些化合物的合成灵感来源于已知的蛋白酶体抑制剂——硼替佐米、环氧莫西菌素和Cbz-Leu3-醛的分子结构。那些含有新型氨基酸序列的肽基磺酰氟抑制剂表现出最强的抑制活性，其中Cbz-Leu4-SF(78)的效果最为出色，其抑制浓度仅为7纳摩尔，这一数值远远低于环氧莫西菌素的261纳摩尔。基于这些令人满意的结果，我们相信，基于氨基酸的磺酰氟结构单元在未来将得到广泛应用，不仅可以用于靶向蛋白酶体，还可以用于其他丝氨酸/苏氨酸蛋白酶的抑制。研究发现，多种肽磺酰氟类抑制剂对β5蛋白酶体亚基具有高度选择性。 图 4. 作为蛋白酶体抑制剂的磺酰氟类似物。 另一种新的分子结构（79）：该结构包含了探针的三个关键组成部分：用于形成共价键的氟磺酰芳基结构单元、用于识别的碱基单元，以及作为细胞穿透性标记物的叠氮基团 (图 5)。赖氨酸核心是一种三功能化的连接器，它不仅将核碱和弹头单元置于适当的距离和方向，以类似于FSBA中的相应对，而且还允许在探针库的构建中进行可能的微调。这种分子是具有理想特性的探针（79）：它们具有目标特异性、对相应酶活性的良好线性响应，同时还能顺利穿透细胞膜。另外研究者还成功开发出一种两步法检测方案：利用这种新开发的探针，并结合免疫沉淀技术，从而能够有效检测RK3E-v-Src细胞内的Src激酶活性。 图 5. 含有磺酰氟基团的 Src 激酶抑制剂。 转甲状腺素蛋白由127个氨基酸组成，这些氨基酸构成富含β折叠结构的亚单位，这些亚单位共同形成四聚体结构。这种结构使得转甲状腺素蛋白具有两个独特的二聚体-二聚体结合位点。其中较为不稳定的那个结合位点能够沿着z轴方向形成两个甲状腺素T4的结合位点（见图 6a和图 6b）。人类血液中超过99%的转甲状腺素蛋白T4结合位点都是空闲的。那些能够选择性地与特定蛋白质结合后通过快速化学反应形成共价结合物的分子，在药物研发中具有实用价值。 N. P. Grimster等人报道了一种由1,3,4-氧二唑构成的化合物库。其中，有80种化合物的2位被芳基磺酰氟取代，5位则被取代的芳基取代（见图 6c）。这些化合物被认为对转甲状腺素蛋白（TTR）中负责结合甲状腺素的部位具有很高的亲和力。这些化合物是根据结构设计原理合成的。当这些化合物与甲状腺素结合后，大部分芳基磺酰氟会与pKa值发生改变的K15残基发生快速且选择性的反应，从而稳定TTR的结构，进而防止淀粉样纤维的形成。这种淀粉样纤维的形成是导致多发性神经病变的罪魁祸首。该反应的半衰期仅为1到4分钟，比甲状腺素结合位点外的水解反应快约1400倍。X射线晶体学分析证实了这些化合物的结合方式，同时也解释了磺酰氟如何与TTR发生反应形成磺酰胺键。 其中几种芳基磺酰氟能够在血浆中与TTR有效结合形成复合物。所合成的11种TTR共价稳定剂在与其结合后都会发出荧光。由于这些荧光团对环境条件敏感，因此这些化合物有望被用于成像技术。这些共价修饰剂的作用原理是：利用被活化的酯基团，通过与TTR四聚体中T4结合位点顶端的K15 ε-氨基发生反应来实现共价结合。 图6a. (a) WT-TTR与T4（2ROX）复合物的晶体结构。(b) 两个相同的T4结合位点之一的放大视图，显示了一个由链色标记的四聚体状带状结构，其“康诺利”分子表面应用于距离T4 8 Å以内的残基。(c) T4结合口袋的示意图，标出了内外结合亚位点，并展示了在设计和优化芳环A和B取代基时所靶向的氨基酸。围绕1,3,4-氧杂二唑环连接体旋转，导致了对称T4口袋内具有对称相关性的结合模式。 图 6b. 磺酰氟衍生物（80）作为转甲状腺素蛋白的结合剂。 该芳香基磺酰氟化合物库旨在用于研究各种结构特征。在芳环B的3号和5号位置上的取代基，与内源性配体T4中的碘原子具有相似结构。预计这些取代基会与T4结合位点处的 HBP3/3′蛋白发生相互作用（见图 6b）。位于芳环B对位上的酚基团，是某些TTR动力学稳定剂的共同特征，但并非所有此类稳定剂都含有这一结构。 以磺酰氟为基团的探针对谷胱甘肽转移酶中功能性酪氨酸残基的高选择性，表明了这类探针可被用于研究粗提蛋白组中谷胱甘肽转移酶及其他蛋白质的功能。通过化学蛋白质组学方法，研究者发现，除了能靶向丝氨酸蛋白酶外（Shannon 等人，2012 年），以磺酰氟为基团的探针还能特异性地靶向功能性酪氨酸残基，该研究分析了植物和小鼠蛋白质组中不同类型的 GSTs 所结合的残基。研究中使用了多种基于 AEBSF 的探针（见图 7）。DS6B（83）含有生物素，DS6R（81）含有罗丹明，而 DAS1（82）则含有炔基，这是一种可用于点击化学反应的化学基团。这些探针最初是用于检测蛋白质组中的丝氨酸蛋白酶的，因为 AEBSF（84）是一种常用的丝氨酸蛋白酶抑制剂。在拟南芥叶片蛋白质组中进行测试时，发现许多被标记的蛋白质同时被 DS6R 和 DS6B 所识别，且两种探针的标记结果相似。当加入过量的 AEBSF 后，标记现象被抑制，这说明 DS6R 探针所识别的残基与 AEBSF 所识别的残基相同（见图 8）。 图 7. 基于磺酰氟的丝氨酸蛋白酶抑制剂。 图 8. 靶向赖氨酸的磺酰氟探针（85–87）。 蛋白激酶是一大类结构上相互关联的酶。在开发激酶抑制剂时，一个主要目标是能够有选择地作用于目标激酶，同时避免对其他激酶产生不良影响。然而，如何准确测定抑制剂与活细胞中多种内源性激酶的相互作用，仍然是一个尚未解决的难题。Zhao等人开发出了磺酰氟探针，这种探针能够高效地与细胞内的多种激酶发生共价结合。蛋白质结晶学和质谱分析证实，磺酰氟确实能与ATP结合位点上的一种保守性赖氨酸发生特异性反应。经过优化的86号探针（XO44）能够与多达133种内源性激酶发生共价结合，其效果甚至优于细胞内高浓度的ATP。他们利用86号探针以及无标记质谱技术，成功测定了已批准上市的达沙替尼与细胞内各种激酶的相互作用情况。研究数据显示，在临床相关的浓度下，达沙替尼只能与一小部分激酶靶点结合。这一结果进一步证明了，在复杂的化学生物学分析中，以赖氨酸为靶点的磺酰氟探针具有很高的实用价值。 腺苷受体广泛分布于哺乳动物的全身各处，它们在腺苷这种嘌呤核苷的各种功能中起着关键作用。不可逆的烷基化配体是研究受体结构和功能的有效工具，可用于测定受体的储备量、识别和定位配体结合位点。研究人员合成了氟磺酰基取代的黄嘌呤类化合物，其中化学活性较强的 4-（氟磺酰基）苯基基团通过酯键或酰胺键与黄嘌呤环的 N3 位点相连（见图 9）。所有这些化合物都对 A 1 腺苷受体具有高亲和力；与 A 2 腺苷受体相比，它们对 A 1 腺苷受体的选择性更高。此外，这些化合物还能不可逆地阻止[3H]-8-环戊基-1,3-二丙基黄嘌呤([3H]CPX)与 DDT1 MF-2 细胞中的 A 1 腺苷受体结合。据报道，FSCPX（88）及其酰胺衍生物（89）在体外实验中能够有效且选择性地阻断 A4 腺苷受体。为了获得稳定性更佳的不可逆性 A6 腺苷受体拮抗剂，研究人员设计了将化学活性基团 4-（氟磺酰）苯基与黄嘌呤结构通过酮键连接起来的 FSCPX 衍生物。化合物 90–92（见图 9）对 A7 腺苷受体的亲和力更强，并且能够以浓度依赖性方式不可逆地与 A8 腺苷受体结合。 图 9. 磺酰氟化合物（88–92）作为 A 1 AR 结合剂的应用。 作为SuFEx结构中的关键连接单元，磺酰氟具有独特的反应性，为不断丰富的SuFEx应用体系做出了重要贡献。磺酰氟的巨大价值在于其作为亲电试剂的优异性能，这类试剂在药物发现和化学生物学研究中有着重要应用。磺酰氟具备良好的生物相容性与蛋白质反应性，因此可被用作各种化学修饰的“武器”。众所周知，磺酰氟能够修饰赖氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、组氨酸等氨基酸残基，以及具有活性的丝氨酸残基，而这些氨基酸残基常被用作蛋白酶抑制剂。对磺酰氟的稳定性与反应性规律的理解，主要基于以下五个特征。 (1) 抗还原性：由于氟是最电负性的元素，且磺酰氟的断裂属于异裂反应，因此容易生成氟离子。相比之下，磺酰氯的断裂则属于均裂反应。对于各种亲核试剂来说，芳基磺酰氯很容易被还原为亚磺酸衍生物（ArS(O)OR），不过胺和醇除外。磺酰氯可以很容易地被还原为相应的硫醇。磺酰溴和磺酰碘则更易发生还原反应。磺酰氯是一种强氧化剂。在高压下的热SO₂-F₂液体中，金属钠可以被熔化，而各组分本身不会发生化学变化（图 10 和b显示了ArSO₂F对氧化和还原反应的抵抗能力）。 图 10. (a和b)展示了ArSO2F在氧化作用和还原作用中的抗性。 (2) 热力学稳定性：在氧化态低于VI的硫原子上，取代反应进行得很快。也就是说，六价硫的卤化物如SOCl₂和SOF₂的反应速率很高。而六价硫原子上取代反应的缓慢进行，使得它们成为“点击化学”中的理想连接剂。与其他磺酰卤相比，磺酰氟在各种取代反应中都更为稳定，包括水解和热解反应（见图 11）。这些特性使得磺酰氟成为在恶劣条件下的理想反应试剂。 图 11. 磺酰氟在热分解过程中的稳定性要高得多。 (3) 硫原子上的特异性反应：在-SO2Cl结构中，氯原子的极高极化性使得该原子容易受到还原性攻击（具体是通过单电子或双电子途径，这取决于亲核试剂的性质和反应条件）。当以碳作为亲核试剂时，通常会同时发生磺酰化和氯化反应，从而生成混合产物。而磺酰氟则只会引发磺酰化反应。同样的原理也适用于磺酰亚胺氟化物相对于相应氯化物的应用情况（见图12a和b）。 图 12. (a, b)展示了在酯烯醇盐和胺类物质参与的反应中，氯化反应与所需的磺酰化反应之间的关系。 (4) 氟化物与质子相互作用的特殊性：对于磺酰氟的亲核取代反应来说，加成-消除反应路径和直接取代反应路径都是可行的。SO2中心在该反应中的具体作用机制虽然很重要，但至今尚未被完全理解。因此，使SuFEx反应具有独特性的关键因素之一，就在于如何稳定在取代过程中产生的氟离子。能够在合适条件下稳定氟离子、从而让SuFEx反应变得可控且适用于合成应用的物质，就是R3Si +和H +。虽然人们已经认识到水中氟离子的独特性质，但在合成过程中却很少加以利用。众所周知，将氯代芳烃转化为氟代芳烃的“Halex”反应，通常需要使用碱性的F -离子源。H-X在稳定氟离子方面的作用，恰恰体现了其优势所在。在加速SO2F反应的过程中，质子中心起着关键作用（见图 13）。[F -H -F] − 氢键的能量高达40千卡/摩尔，这一氢键是在氟化物与水中的酸发生反应时形成的。[F -H -F -H -F] − 则可以处于平衡状态。因此，氟离子是一种独特的碱：它通过将自己内部的H +原子捕获起来，从而在水中形成一种中心对称的、由4个电子和3个原子构成的结构，进而实现稳定的存在。 图 13. 水在磺酰氟的活化过程中的作用。 (5) 密切相关的官能团：与含有α-氢的原脂肪族衍生物相比，芳香族磺酰氟的抗水解性要强得多。此外，芳香环上的吸电子基团会增强S(VI)的亲电性，从而加快其反应速率。当α位上有酸性质子时，磺酰氟会通过消除反应生成硫烯类中间体（R1R2C=SO2）。例如，苯甲磺酰氟(PMSF)就是一种著名的丝氨酸蛋白酶抑制剂，常被用于细胞裂解液的制备中。不过，这种反应途径仅在碱性环境中才能快速进行。在碱性条件下PMSF和其他烷基磺酰氟才能保持稳定，并能在水溶液中选择性地修饰蛋白质。此外，烷基-SO2F的弗里德尔-克拉夫茨反应活性优于烷基-SO2Cl（见图14)，因此，脂肪族衍生物也能从这种由SO2F基团所赋予的独特化学性质中获益。 图 14. 在弗里德尔-克拉夫茨反应条件下，氯化反应与所需的磺化反应之间的关系。 04 氟硫酸盐的合成 烷基氟硫酸盐在有机化学领域受到了广泛研究，因为氟硫酸根阴离子具有出色的离去基团和烷基化基团的功能，可以被用作供体碱。而芳香族氟硫酸盐则因为其极低的还原、水解、热解以及亲核取代反应性而显得十分有趣。芳氧基氟硫酸盐则具有极高的稳定性，这使得SO2F2可以与醇类化合物发生反应，从而实现芳香族反应物的理想转化效果。在芳香醇与胺的反应过程中，SO₂F2气体表现出选择性的反应特性，这一特性在生物过程中具有重要意义。Sharpless 及其同事展示了芳基氟硫酸盐的合成方法，如图 15 所示。 图 15. 在碱 Et 3 N 的存在下，利用取代酚与SO2F气体反应来合成芳基氟硫酸盐。 图 16(a–e)中展示的另一种有趣的杂芳基氟硫酸盐，是通过让吡啶醇类物质与 SO2F2气体在二氯甲烷溶剂中反应制得的。反应过程中还加入了1.5当量的Et3N，反应温度为室温，反应时间最长可达12小时。如果使用 2-吡啶酮作为原料，则需要采用不同的反应条件来制备相应的氟硫酸盐。而那些被取代的吡啶-2-基氟硫酸盐(f–j)则是通过在CH3CN溶剂中，使用3当量的DIPEA，在室温下反应 24 小时制得的。 图 16. 杂芳基氟硫酸盐的合成过程。 2015年，Sharpless及其同事也报道了芳香基氟硫酸盐的合成方法。在适量碱的存在下，芳香基硅醚可作为合成氟硫酸盐的理想底物，该反应使用SO₂F₆气体进行催化反应，反应体系为DCM溶剂中的BEMP催化剂，反应物为3,4-二氢萘-1-基氧基三甲基硅烷（见图 17a）。另一项反应则使用了DBU作为催化剂，以4-((叔丁基二甲基硅基)氧基)-N-甲基苯胺为原料，在CHCl₃溶剂中，利用SO₂F₆气体在室温下合成出了4-(甲基氨基)苯基硫氟酸盐（见图 17b）。 图 17. (a) 使用BEMP合成烯醇氟硫酸盐；(b) 通过DBU合成芳基氟硫酸盐。 在合成磺酰氟的过程中，使用SO2F 2气体以及各种仲胺类物质（见图 18）。相比之下，使用伯胺进行合成时，由于会生成HF分子，因此会得到不稳定的化合物。 图 18. 利用SO2F2气体和胺类物质合成磺酰氟的过程。 05 SuFEx 点击化学的应用 如今，药物发现的过程依赖于对化学库进行大规模筛选，以寻找那些能够与细胞内和细胞外分子靶点结合的新型化合物。通过使用高通量技术来合成各种化合物，同时利用自动化技术来分离天然产物，并从商业渠道获取各种化合物，制药和生物技术公司能够合成出更多种类、更大量的化合物。与此同时，随着人类基因组以及各种病原体如微生物、细菌和病毒的基因组被测序，人们发现了许多新的生物靶点。这些靶点往往没有现成的化学物质可以作为优化药物设计的起点。 正如Wu及其同事所证明的那样，磺酰氟点击化学技术在生物活性分子的后期功能化处理中起着重要作用。通过这种后期功能化处理，可以快速改变候选药物的物理性质和药代动力学特性。Wu及其同事利用96孔板技术，将美国国立卫生研究院批准的多种抗癌药物直接转化为磺酰氟衍生物。经过筛选后，他们得到了多种芳基磺酰氟化合物，这些化合物均具有抗癌活性。其中，磺酰氟衍生物combretastatin A4对HT-29结肠癌细胞系的抑制效果提升了70倍。此外，磺酰氟化的fulvestrant类似物（一种选择性雌激素受体下调剂）也表现出比原始化合物更强的结合亲和力（见图 19）。 图 19. Combretastatin A4和Fulvestrant经过氟磺酰化处理后，其抗癌效果得到了提升。 研究人员采用了SuFEx点击化学技术来制备了所需的双芳基硫酸盐核心结构。这一策略使得人们能够合成出既包括对称结构也包括非对称结构的双芳基硫酸盐类丙型肝炎病毒NS5A抑制剂。此外，该策略还适用于各种取代酚类化合物的合成。如图20所示，通过对该化合物库中的各种化合物进行测试，我们发现，那些具有对称结构的化合物（138）和非对称结构的化合物（137）都表现出良好的抑制效果，其抑制剂的 EC50 值都相当低。 图 20. SuFEx 在达卡他韦生物碱硫酸盐类似物的合成中的应用。达卡他韦是一种用于治疗丙型肝炎病毒的NS5A抑制剂。 最近的研究表明，可以利用“睡美人”探针来发现含有磺酰氟基团的共价药物。磺酰氟作为共价药物成分具有独特优势：它能够与特定的折叠状态下的蛋白质发生共价结合，而无法与变性的蛋白质发生反应。Wolan、Sharpless及其同事筛选了包含数千种磺酰氟化合物的化合物库，这些化合物都是针对人类中性粒细胞弹性蛋白酶设计的。其中，苯-1,2-二磺酰氟139被证实是一种有效的共价药物，其抑制人类中性粒细胞弹性蛋白酶的IC50值为3.3微摩尔。研究表明，磺酰氟通过磺酰化Ser195位点来抑制该酶的活性。通过X射线晶体学分析，研究人员还确定了这种共价药物与蛋白质的结合结构。SuFEx技术还被用于优化这些化合物，从而得到了更多新的候选药物。2-氟磺酰苯基三氟甲磺酸酯140的抑制浓度为1.1 μM（见图 21）。该化合物是通过Moses提出的SuFEx三氟甲基化反应制得的。另一种化合物是2-氟磺酰苯基氟磺酸酯141，其抑制浓度为0.24μM（见图 21）。与同类的中性粒细胞丝氨酸蛋白酶——组织蛋白酶G相比，2-氟磺酰苯基氟磺酸酯141的选择性高出约200倍。这两种化合物都比之前的化合物（苯-1,2-二磺酰氟）具有更高的选择性和活性。 图 21. 苯-1,2-二磺酰氟的优化过程：a) 当 IC 50 为 3.3 微摩尔时，该物质作为 hNE 的共价修饰剂所起的作用。 正如 Sharpless、Wilson 和 Kelly 及其同事所证明的那样，氟硫酸盐能够更好地与细胞内的脂质结合蛋白结合。如图22所示，这种作用机制可以被看作是“逆向药物发现”技术的一种应用。所谓“逆向药物发现”，指的是让弱亲电试剂直接与细胞内的蛋白质结合。由于氟硫酸盐在细胞环境中不具反应性，它们与蛋白质的反应是在特定活性位点上发生的。iLBPs可作为模型，因为其蛋白质中的结合位点含有酪氨酸残基以及能够催化硫氟交换的侧链官能团。图22中的三种氟硫酸盐化合物（142–144）结构较为复杂，但它们能够与特定的蛋白质结合。所有这些探针都含有炔烃官能团，可用于铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应。图22中的145-147号化合物被证明是相应氟磺酸酯类化合物的竞争性抑制剂。当这些竞争性抑制剂存在时，会阻碍含有炔烃的分子的共轭反应。这一现象可以通过铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应后荧光强度的下降来观察。相比之下，当芳基氟磺酸酯与蛋白质发生部分反应时，荧光强度则保持不变。研究人员研究了11种重组蛋白与芳基氟磺酸酯之间的反应情况，这些芳基氟磺酸酯具有明确的结合位点。 这些结构域中含有多个阳离子侧链残基。当这些残基位于酪氨酸或赖氨酸附近时，它们要么能够调节亲核试剂的pK值，要么通过稳定离去氟离子来催化SuFEx反应。 图 22. 用于体现“逆向药物发现”策略的化学探针。化学生物学领域的相关研究。 含少量磺酰氟的分子大约在100年前就被发现有杀虫作用。20世纪60年代，Myers 和Kem在磺酰氟抑制蛋白酶的作用机制方面取得了重要研究成果。随后，哥伦比亚大学的Gold和Fahrney进一步研究了磺酰氟抑制酯酶的机制。为了使磺酰氟发挥其作用，必须先激活其氨基酸侧链。已知磺酰氟能够作用于丝氨酸、酪氨酸、赖氨酸、苏氨酸、组氨酸和半胱氨酸等氨基酸残基。不过，磺酰氟与亲核试剂的反应过程存在较高的动力学障碍，同时热力学驱动力也较弱。加州大学圣塔芭芭拉分校的Bernard R. Baker在研究中发现，磺酰氟基团对热水和酒精呈惰性，与蛋白质的反应也非常缓慢，甚至可能根本不发生反应。它们能与含有SO2F基团的分子可逆地形成复合物。相比之下，当含有SO2F基团的化合物与酶或纤维素等大分子结合时，会迅速形成共价键。根据 Baker 及其同事的研究，磺酰氟类化合物能够与特定蛋白质结合位点上的氨基酸残基形成共价键。图23展示了各种抑制剂：鸟嘌呤脱氨酶(GAH)的抑制剂148、胰凝乳蛋白酶的抑制剂49、黄嘌呤氧化酶(XO)的抑制剂150、二氢叶酸还原酶(DHFR)的抑制剂159、150、雌二醇脱氢酶的抑制剂151和152、脂蛋白脂肪酶(LPL)的抑制剂153，以及脂肪酸酰胺水解酶(FAAH)的抑制剂 152。 属于甲基磺酰氟类化合物的MSF-154，作为一种选择性的、不可逆的乙酰胆碱酯酶抑制剂，已在阿尔茨海默病患者的记忆功能改善方面取得了良好的效果。贝克等人研究的著名磺酰氟类抑制剂NSC-127755，后来被发现能够改变鸡肝中 DHFR 酶的酪氨酸-31 位点。那些不易发生化学变化的磺酰氟类化合物，最近被用于生产带有18 F 标记的放射性示踪剂。 图 23. 一些非共价抑制剂以及经过SO2 F修饰的类似物具有生物活性，并且对图中用红色标出的靶标具有稳定性。 为了使蛋白质发生磺酰化反应，必须通过各种非共价结合作用来延长磺酰氟基团在蛋白质表面的停留时间。若想将这些非共价配体转化为不可逆的抑制剂，则需要引入SO2F单元。当磺酰氟被酶的活性位点上的某些残基所吸引时，Baker将这种抑制作用分为“内型”和“外型”两种类型，具体取决于亲核试剂所在的位置与活性位点的相对位置。这种机制使得磺酰氟能够选择性地修饰酶的别构位点、受体、离子通道以及各种结构蛋白。结合位置和停留时间对于确定磺酰氟试剂的修饰位置至关重要；同时，氟离子离去基团的稳定性也很重要，如图24所示。 图 24. 氟稳定和双氟化合物在SuFEx化学中的作用。 Van der Hoorn、Weerapana及其同事证明了磺酰氟可以作为探测剂，用于检测丝氨酸蛋白酶的活性。他们合成了泛丝氨酸蛋白酶抑制剂的炔基化类似物，即(4-(2-氨基乙基)苯磺酰氟)（见图 25）。他们研究了这种化合物作为探测剂的性能。实验结果表明，炔基化合物163能够有效帮助从复杂的蛋白质组中识别出相应的丝氨酸蛋白酶。随后，他们还利用质谱技术对这类化合物进行了鉴定和分析。 图 25. Van der Hoorn、Weerapana及其同事所使用的炔基磺酰氟化合物163和164。 Robinson、Jones 及其同事在图26中展示了各种经功能化的芳基磺酰氟探针。他们强调了以磺酰氟为基础的探针在化学生物学中的重要性。这些探针具有三个活性位点：一个是炔基取代基，另一个是磺酰氟基团（165–173），可用于与蛋白质形成共价键；第三个则是用于连接功能性药物的位点。他们还制备了表皮生长因子受体抑制剂厄洛替尼的衍生物，以研究该药物在活细胞中的作用机制。厄洛替尼与其靶点——表皮生长因子受体之间存在着特定的相互作用关系。化合物175是一种经过设计的磺酰氟探针，能够与表皮生长因子受体结合。该探针的磺酰氟基团能够与厄洛替尼-表皮生长因子受体结构中的赖氨酸残基发生相互作用。 图 26. Robinson 和Jones开发的可点击操作的磺酰氟相关工具箱。 2,4-二氨基喹唑啉类化合物中的DAQ1（176）能够抑制mRNA去帽作用相关的酶Dcps。目前，人们正在研究这类化合物是否具有治疗脊髓性肌萎缩症的潜力。Jones及其同事将磺酰氟类化合物作为该酶的不可逆抑制剂，因为这类化合物能与活性位点中的酪氨酸残基形成共价键。在图27中，研究人员合成了相应的氟硫酸盐化合物SF-p1yne（178），但该化合物与酪氨酸残基的反应产生了非预期的产物。这是因为氧气的影响阻碍了酪氨酸残基与亲电性的氟硫酸盐之间的反应。相反，附近的丝氨酸残基则容易与氟硫酸盐发生反应，从而形成含有脱氢丙氨酸残基的脱水蛋白质，随后再经过β-消除反应。为了测定酶中目标物质的结合情况，就需要使用这种可点击的共价探针。诸如SF-p1(177)这样的完整细胞。经过炔基标记的磺酰氟抑制剂(SF-p1-yne)能够检测出那些被该抑制剂处理过的细胞中所涉及的Dcps靶点。 图 27. 2,4-二氨基喹唑啉(DAQ1)与磺酰氟、氟硫酸盐在Dcps抑制剂作用下的结构。 由于磺酰氟在水中的化学和热力学性质稳定，且其氟离子基团无毒、不具反应性，Kelly及其同事证明了磺酰氟和氟硫酸盐作为化学探针的实用性——这些探针可以用来识别特定分子中的氨基酸残基。磺酰氟在转铁蛋白的甲状腺素结合位点上发生选择性反应，从而阻止了淀粉样纤维的形成。而那些能够识别转铁蛋白上Lys15位点的磺酰氟配体则有助于稳定转铁蛋白的四聚体结构，因为它们能与Lys15形成共价键。此外1,3,4-氧二唑-182 这种芳基氟硫酸盐则能与转铁蛋白的结合位点形成非共价键。 图 28. 磺酰氟探针179–180和氟硫酸盐探针181–182的结构。 Taunton及其同事证明了芳基磺酰氟对Src家族蛋白激酶活性位点上的亲核试剂具有选择性。图29显示，经过标记的磺酰氟分子183和184与催化位点上的赖氨酸（Lys295）发生了反应；而经过标记的乙烯基磺酸盐分子则与非催化位点上的半胱氨酸（Cys277）发生了反应。这些探针能够在活细胞中区分不同类型的激酶。 图 29. 磺酰氟探针在SrC家族蛋白激酶的活性位点上的反应性。 Linus Pauling提出，酶通过与反应过渡态高度互补来实现高效催化，这一理论奠定了基于结构的药物设计基础，即通过优化药物与靶蛋白结合位点的空间构象及非共价相互作用，提高结合亲和力和选择性。然而，共价抑制剂虽然能够增强药物作用强度和持续时间，但其活性代谢物可能与蛋白质发生不可逆共价结合，形成蛋白质加合物，引发免疫介导的不良反应甚至器官毒性（如对乙酰氨基酚相关肝毒性）。由于这类毒性机制复杂、预测困难，且常在药物研发后期或上市后才被发现，制药企业通常会在候选药物优化过程中筛除具有形成活性代谢物风险的化合物。此外，共价修饰发生于细胞内蛋白时通常免疫原性较低，而作用于细胞外蛋白则更容易诱导免疫反应，因此共价药物设计需要在疗效与安全性之间取得平衡。 药物发生特异性不良反应的风险与给药剂量密切相关，每日剂量越高，反应性代谢物导致毒性的可能性越大。目前尚无每日剂量低于10 mg仍引发特异性不良反应的药物报道，因此降低给药剂量是减少此类毒性的有效策略。此外，不可逆抑制剂由于其活性官能团可能与非靶蛋白发生共价反应而产生脱靶毒性。针对细胞外靶点时，可通过降低药物跨膜转运、限制其作用范围，提高靶向选择性，从而减少非特异性毒性反应。 06 结论 SuFEx点击化学因其高效、选择性高且无需金属催化的特点，在药物发现和化学生物学领域展现出广阔的应用前景。尽管利用SuFEx构建共价抑制剂仍需关注潜在的安全性问题，但其良好的生物相容性和适用于无法使用传统点击化学体系的优势，使其成为发展新型生物偶联和共价药物的重要技术平台，未来具有广阔的发展和应用潜力。 参考文献 [1] Wilson Lucas S, Zijian Qin R, Rakesh KP, Sharath Kumar KS, Qin HL. Chemical and biology of sulfur fluoride exchange (SuFEx) click chemistry for drug discovery. Bioorg Chem. 2023 Jan;130:106227. 免责声明：本文为交流学习，版权归原作者所有，如有侵权，可联系删除。 撰稿：王新宇 排版：王烁英