本文总结了国家自然科学基金委员会专项项目(科技活动项目) “元素化学生物学”研讨会的学术交流和研讨成果, 凝练了该领域国际前沿研究亟需解决的关键科学问题和重点发展方向, 提出了加强学科发展布局的资助建议.1引言据统计, 有29种元素参与生物演化过程, 76种元素参与疾病诊断与治疗, 这些元素在生物生长、生命健康中起着关键且不可替代的作用. 随着物质科学、生物技术的革命性突破, 元素化学生物学作为化学生物学的一个学科方向, 广泛涉及化学、生物、医学、材料、信息、工程等学科. 该学科方向聚焦元素特征鲜明的生物分子离子、生物过程、调控工具、临床诊疗试剂、组学与成像技术等研究[1~4], 致力于利用经典学科与现代技术的互补性来同步研究生命元素、诊疗元素及其生物系统的结构和功能在时空尺度上的多样性, 着重考察元素介导的生物系统稳态变化, 绘制化学生物学元素周期表(图1), 并应用于生物医药、疾病诊疗、生命健康、环境治理、高端制造等领域.图 1 生命元素与诊疗元素的化学周期表(红色字体表示放疗元素)元素化学生物学的发展可追溯到1962年, 沃森(Watson)、克里克(Crick)和威尔金斯(Wilkins)因发现DNA双螺旋结构而获得诺贝尔生理学或医学奖, 该发现揭示了含磷(P)骨架构成的磷酸二酯键在遗传信息存储与传递中的核心作用[5]. 1992年, 克雷布斯(Krebs)和费希尔(Fischer)因发现蛋白质可逆磷酸化调控机制而获得诺贝尔生理学或医学奖, 证实磷酸基团是作为信号传导“分子开关”的关键功能[6]. 磷酸化修饰通过改变蛋白质构象与活性, 构建了细胞内复杂的信号网络, 凸显了磷元素在动态生物调控中的不可替代性. 1998年, 诺贝尔生理学或医学奖授予了罗伯特·弗奇戈特、路易斯·伊格纳罗和弗里德·默拉德,以表彰他们发现了一氧化氮(NO)作为心血管系统信使分子的作用机制. 此后, 基于他们的工作, 研究人员进一步研究揭示了铁(Fe)、铜(Cu)等金属元素在气体信号传导中的核心地位. 例如, Fe2+与NO结合调控血红蛋白的氧运输, Cu2+参与NO合成酶的催化过程, 展现了金属元素对生物信号转导的精准调控[7,8]. 2002年, 诺贝尔化学奖授予了在生物大分子质谱和核磁共振研究做出杰出贡献的三位科学家(约翰·芬恩、田中耕一、库尔特·伍斯里奇). 这些基于元素解析的技术为蛋白质、核酸等生物分子的精确三维互作提供了关键工具, 从原子水平阐明了元素参与的生物识别与催化机制[9]. 2003年, 诺贝尔生理学或医学奖授予了保罗·劳特布尔和彼得·曼斯菲尔德,以表彰他们在核磁共振成像(MRI)技术领域的突破性成就, 该技术利用氢(1H)与顺磁性金属(如钆(Gd)、锰(Mn)、铁(Fe))的物理特性实现了活体元素分布可视化与动态监测, 推动了元素化学生物学从体外研究向活体实时动态分析, 为元素相关疾病(如铁过载、铜代谢紊乱)的诊疗提供了全新策略[10].近年来, 元素化学生物学研究新方法和新技术的开发, 推动了生命元素化学生物学及调控工具、元素诊疗化学生物学及临床应用等研究的快速发展, 研究成果揭示了生命体系中元素的精确调控机制, 人工设计的元素化学工具又推动了医学和生物技术发展, 对生物起源与进化、人类健康与疾病等领域的研究具有深远意义. 由国家自然科学基金委员会化学科学部主办的“元素化学生物学研讨会”于2024年9月在中山大学召开. 本次研讨会围绕“生命元素稳态与调控、具有元素特征的探针分子、金属蛋白(酶)化学生物学、元素药物化学生物学、放射元素化学生物学、元素化学生物学研究新方法和新技术”6个专题展开. 本次研讨会汇聚了国内分别来自化学、生物学、药学与医学等领域的主流和特色研究团队, 充分体现了化学生物学作为一门高度融合交叉学科的特点. 一批创新性的工作和发展方向在研讨会中涌现, 展示了我国在元素化学生物学领域的最新进展, 充分讨论了国际研究前沿和热点, 现总结如下.2国内外元素化学生物学研究进展2.1 生命元素化学生物学及分子调控工具2.1.1 生命元素生命元素可分为主族金属元素、主族非金属元素和过渡金属元素. 主族金属元素如钾[11]、钠[12]、钙[13]和镁[14]主要以离子形式介导神经传导、细胞通讯、生物大分子稳定等生物过程.钠Na+: 近年来的研究表明, 主族金属离子介导细胞间通讯调控免疫细胞功能. 例如, 肿瘤实质中的钠离子浓度明显高于癌旁组织, 引起的离子通讯在肿瘤发展中具有关键作用. Zielinski等[15]发现, 在高Na+状态下, 肿瘤微环境中的Na+内流增加导致胞内Na+浓度升高, 增强Na+/K+-ATP (腺嘌呤核苷三磷酸)酶活性, 使细胞膜维持超极化状态. 这一变化促进了T细胞受体(TCR)激活过程中的钙离子内流, 启动了活化T细胞核内因子(NFAT)的产生, 激活了哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路, 进而引发了代谢重编程, 提高了T细胞的代谢适应性和杀伤性. Lugli等[16]也报道了高盐饮食会导致氯化钠在肿瘤中特异性蓄积, 通过NaCl补充剂可以诱导CD8+T细胞活化及效应记忆T细胞分化, 维持干细胞样可塑性的基因网络, 与PD-1阻断剂具有相似的免疫通讯效果.钾K+: 钾离子是一种在胞内而非胞外高浓度存在的离子, 然而, Restifo等[17]研究发现, 当肿瘤坏死后会释放K+到胞外空间中, 改变了内外离子梯度, 使T细胞的葡萄糖代谢水平和必需氨基酸含量大幅下降, 从而抑制了T细胞的合成代谢. 但同时也激活了自噬相关通路, 引起代谢重编程, 激活了多个干细胞样能力相关的基因位点, 使T细胞具有更强的持久力、移植存活率、自我更新能力以及多能性. 另外, K+稳定核酸G-四链体二级结构, 并与Na+一起协同调控构型转变, 在基因转录与表达、DNA复制、RNA翻译、端粒酶活性维持、基因组稳定性以及表观遗传修饰等方面发挥重要的调控作用[18].镁Mg2+: 血清镁含量也是免疫系统抵御病原体和肿瘤细胞的重要因素. T细胞只有在镁浓度充足的环境中, 才能通过离子信号传递清除异常或受感染的细胞, 保障免疫系统的正常运转. Hess等[19]发现, Mg2+能促进白细胞功能相关抗原1 (LAF-1)的构象变化, 从而调控LFA-1与其配体ICAMs之间的结合亲和力, 诱导免疫突触形成. 此外, Mg2+还能利用整合素淋巴细胞功能相关分子1-细胞间黏附分子(LFA-1-ICAMs)的结合形成顺式和同型细胞间的相互作用, 增强分子由外向内的信号传递, 参与T细胞活化过程以及白细胞的迁移与外渗. 另外, Mg2+通过中和磷酸骨架的负电荷, 稳定RNA的折叠构象(如tRNA的“L”形结构)[20].钙Ca2+: 胞质中的Ca2+不仅是一种重要的矿质元素, 可以参与调节细胞的结构和代谢, 并且还作为第二信使在细胞信号转导中起着核心作用. 钙调蛋白(calmodulin)通过结合Ca2+调控神经元信号传导、肌肉收缩等过程. 张宏等[21]发现自噬诱导条件下引起的内质网表面的钙瞬变是决定自噬体在内质网上形成的关键信号. 内质网表面的钙瞬变引起参与自噬起始的200 kD的焦点黏附激酶家族相互作用蛋白(FIP200)复合物发生液-液分离, 所形成的FIP200凝聚体进而与内质网膜蛋白VAPs和ATLs结合定位于内质网, 成为自噬体起始位点.生命必需的过渡金属元素, 如铁(Fe)、锌(Zn)、铜(Cu)、锰(Mn)、镍(Ni), 以特定化学形式嵌入生物分子中, 形成金属蛋白(酶). 生物体内近一半的蛋白酶需要金属元素来发挥功能, 这些第一过渡金属元素通过其独特的配位动力学活性和可变氧化还原态特性发挥对生物大分子的瞬息动态调控作用.铁Fe2+/Fe3+: 铁在红细胞功能和许多生理过程所需的必需蛋白质和酶中起着至关重要的作用[22], 如组织中氧的运输、线粒体呼吸过程中的电子传递反应、DNA的合成和修复、异种生物的新陈代谢. 当铁元素在细胞和组织中过量存在时, 会破坏氧化还原平衡, 催化活性氧(ROS)的传播, 从而导致氧化应激[23,24]. 2012年, Stockwell实验室[25]提出了“铁死亡”这一基于内源性铁稳态失衡导致的新型细胞程序性死亡方式. 铁死亡由铁依赖性的脂质过氧化作用驱动, 受到包括氧化还原稳态、线粒体活性和脂质、氨基酸、糖的代谢、铁代谢等多种代谢途径的调控, 这种死亡方式与多种器官损伤与退行性疾病息息相关.铜Cu+/Cu2+: 铜是动物和人类必需的微量金属元素, 通过调节各种重要的生物过程, 包括线粒体氧化磷酸化、结缔组织交联和抗氧化防御, 能促进器官正常功能和新陈代谢过程, 如血红蛋白合成、神经递质、铁氧化、细胞呼吸、抗氧化防御肽酰胺化, 以及色素和结缔组织的形成[26]. 2022年, Golub等[27]报道了一种由线粒体铜过载引起的细胞死亡新形式——“铜死亡”. 铜死亡的主要过程依赖于细胞内铜离子的积累, 铜离子直接结合三羧酸循环(TCA)循环中的脂酰化成分, 导致这些蛋白聚集、失调, 阻断了TCA循环, 引发了蛋白质毒性应激, 并诱导细胞死亡. 其中, 铁氧还蛋白1 (FDX1)是铜死亡的关键调控因子, 也是蛋白质脂酰化的上游调节因子. FDX1和脂酰化蛋白的丰度与多种人类肿瘤的发生高度相关, 这为具有此类代谢特征的癌细胞提供了潜在的治疗手段. 铜死亡和铜增生策略已成为近年来人们针对癌症治疗的研究热点.锌Zn2+: 锌作为重要的微量元素, 是很多酶的辅助因子, 可以稳定蛋白质结构, 提高催化活性, 参与细胞呼吸、DNA复制和修复、转录和翻译等过程[28], 与细胞分裂、凋亡、衰老、增殖和抗氧化防御机制密切相关. 毛宗万、夏炜等[29]发现精氨酸激酶伴侣蛋白McsA的锌指结构作为细胞内重金属传感器, 通过感受细胞内锌离子浓度而发生构象变化, 进而通过结合精氨酸激酶McsB改变底物的亲和力, 显著增强磷酸化效率并加速信号周转. 说明Zn2+可通过锌指结构调控蛋白精氨酸磷酸化修饰程度, 从而维持细胞内蛋白质稳态平衡. 此外, Zn2+还作为信号分子参与细胞信号通路调控, 并通过金属介导的传递机制增强免疫细胞功能[30]. 郭子建等[31]发现肿瘤细胞内存在Zn2+过载现象, 这会引发线粒体呼吸链电子的异常泄露, 并促进还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的氧化, 从而导致ROS积累, 促使干扰素和炎症因子释放至胞外. 过量Zn2+也会诱导肿瘤发生免疫原性焦亡, 促进了抗肿瘤免疫信号的传递.锰Mn2+: 锰具有提高免疫力、维持神经、改善造血系统、维持心脏和肌肉功能、预防心脑血管疾病等作用与功效. Mn2+浓度变化也与病理状态密切相关. 例如, 病毒感染细胞后会导致线粒体、高尔基体等贮锰亚细胞器中Mn2+释放到胞质, 使胞质Mn2+浓度升高至正常生理下的60倍左右. 2018年, 蒋争凡等[32,33]发现Mn2+不仅能促进第二信使环磷酸鸟苷(cGAMP)合成, 也能增强干扰素基因刺激蛋白(STING)与cGAMP的结合能力, 从而超活化dsDNA感受器cGAS-STING信号. 通过外源添加Mn2+改变细胞内外离子梯度可激活cGAS-STING通路, 促进肿瘤抗原呈递, 增强细胞毒性T细胞和自然杀伤(NK)细胞的活性, 同时促进记忆性T细胞的存活与增殖, 强化机体对肿瘤细胞的免疫监视和清除能力[34].在蛋白质翻译后修饰中, 磷酸化修饰是磷在生物化学中的重要体现, 调控蛋白质功能和细胞内信号转导. 近年来, 研究人员也发现一些主族非金属元素同样以特定化学形式嵌入生物大分子中, 形成硫代核酸、硒核酸、硒蛋白等.磷P: 磷是生命体系中极为重要的元素, 广泛存在于DNA、RNA、ATP和磷脂等关键生物分子中. 人体中磷含量约为0.9%, 其中80%~90%存在于骨骼和牙齿中, 其余磷元素在细胞信号传导、基因表达调控和代谢过程中发挥关键作用. 例如, 淀粉样蛋白的异常磷酸化会影响其聚集状态和构象变化, 导致病理蛋白聚集的多态性与异质性, 进而推动神经退行性疾病的进展. 李艳梅和刘聪等[35]合作研究发现, α-突触核蛋白中Y39位点的磷酸化形成了包含“口袋”状的纤维聚集结构, 并可导致S129位点磷酸化水平的提高,影响其病理活性; S129位点磷酸化显著增强了α-突触核蛋白预成纤维与细胞膜上淋巴细胞活化基因3受体的结合, 进而影响其在细胞间的传播过程[36]. 磷酸化修饰的异常与多种疾病密切相关, 其精准调控对疾病治疗具有重要意义.硫S: 金属硫蛋白是一种广泛存在于微生物和人类等各种机体中的蛋白质, 因其富含半胱氨酸残基的结构特性, 使其能够通过与锌、铜和镉等重金属结合实现金属调控. 近期发现DNA骨架上非桥连氧原子可以被硫原子取代, 导致磷硫酰化修饰, 参与基因表达调控、细胞内氧化还原稳态维持等生理过程. 陈实等[37]发现含磷硫酰化修饰的DNA通过优先抑制DNA损伤F-H蛋白(DndFGH)复合物的ATP水解酶活性, 阻碍DNA易位, 再抑制核酸酶活性, 从而实现对DndFGH复合物介导限制系统的精准调控; 最新研究还发现了一种以ATP为底物的微生物磷硫酰化系统(TdpABC). 该系统通过腺苷化激活DNA戊糖-磷酸骨架, 并在活性硫亲核攻击下生成磷硫酰化修饰, 同时释放AMP. 这项研究揭示了硫原子掺入DNA骨架的化学生物学机制, 以及相关防御系统如何识别硫原子以抵抗噬菌体侵染, 有效避免宿主自身免疫[38].硒Se: 硒是人体必需的微量元素, 硒蛋白也在维持正常生理功能(包括代谢调节、信号传递以及免疫应答等)方面起着重要的作用. 倪嘉缵、宋国丽团队[39]发现一种内质网硒蛋白K在神经元中高表达, 参与氧化平衡维持、缓解内质网应激与Ca2+调节等过程, 还会通过抑制毫钙蛋白酶/半胱天冬酶-12 (m-calpain/caspase-12)级联反应抑制神经元凋亡, 在神经细胞保护中起到了重要作用. 徐辉碧、吴钰周团队[40]发现多种内质网硒蛋白(硒蛋白F、硒蛋白T、硒蛋白K等)在糖脂代谢稳态及免疫应答中发挥重要作用, 通过调控氧化还原稳态、内质网稳态及免疫细胞功能从而干预糖脂代谢紊乱疾病(心血管疾病、糖尿病、脂肪肝等)的发展,并设计了硒蛋白GPX4 (铁死亡关键调控因子)特异性荧光探针[41].其他生命必需元素在维持机体结构和生理功能方面同样不可或缺. 常量元素中, 碳、氢、氧、氮是构成蛋白质、脂肪、碳水化合物和核酸的基本成分, 也是生命存在的基础; 氯离子则主要调节体液渗透压, 维持电解质和酸碱平衡. 在微量元素中,钴是维生素B12的重要组成, 参与DNA和血红蛋白合成(砷也参与反应)、氨基酸代谢及甲基转移反应; 铬是胰岛素的辅因子, 也是胃蛋白酶的组成之一, 主要调节血糖代谢、维持血糖水平, 并与核酸、脂质和氨基酸的合成利用密切相关; 碘是甲状腺激素的组成成分, 参与生长发育和代谢调控; 钒、锡、镍是人体有益元素, 其中钒有助于降低胆固醇和血糖, 锡参与蛋白质合成, 镍是多种酶的必需成分, 参与氢氧化酶催化, 并促进铁吸收和氨基酸合成; 氟是骨骼、牙齿和细胞壁形成所必需的结构成分; 硅对骨骼和软骨形成初期至关重要, 同时维持皮肤和结缔组织的强度、弹性及血管壁通透性; 钼是多种酶的辅助因子, 参与氮代谢和能量代谢; 溴则以有机溴化物形式存在于人体组织和血液中.2.1.2 调控工具生物转运系统: 对于离子型生命元素, 各种生物体都有自身的转运系统, 这些天然的调控工具, 成为化学生物学中的重要调控对象. 例如, 在生物膜上广泛存在离子通道和转运蛋白, 能够感知膜内外的离子浓度来控制开关, 实现特定离子定向流入/排出的效果. 例如, Skaar等[28]报道的锌金属伴侣蛋白(ZNG1), 能够将锌“按需”输送到其他蛋白质中, 为锌稳态的研究提供了重要参考. 王晓东、郑三多等[42]发现锌离子转运蛋白ZnT1亦可以直接介导铜离子的转运, 并参与铜死亡调节. 通过冷冻电子显微镜结构解析揭示了Zn2+和Cu2+在共享ZnT1中主要的结合位点, 说明了Zn2+会通过竞争Cu2+与ZnT1的结合来抑制铜转运和铜死亡. Zhang等[43]揭示了核因子E2相关因子2 (NRF2)可利用含HECT和RLD结构域的E3泛素连接酶2 (HERC2)、囊泡相关膜蛋白8 (VAMP8)和核受体辅激活因子4 (NCOA4)控制铁蛋白的合成/降解和维持铁的平衡, 提出通过抑制NRF2和诱导铁死亡的组合疗法作为有效的癌症治疗策略.小分子调控工具: 除了天然生物大分子调控以外, 人们也开发了一些针对性的人工小分子调控工具, 通过人为干预细胞多重稳态以达到治疗目的, 包括蛋白酶抑制剂、金属螯合剂、阴离子转运载体等. 2015年, 蒋华良、何川、陈靖等[44]发现了铜伴侣蛋白的小分子抑制剂. 该抑制剂可同时靶向两种铜伴侣蛋白(Atox1和CCS), 选择性调控铜离子转运, 从而选择性地抑制肿瘤细胞增殖. 曲晓刚等[45]报道的手性金属螺旋对映异构体[Ni2L3]4+-P能选择性稳定端粒G-四链体DNA并抑制端粒酶活性, 通过诱导端粒DNA损伤及其3′端降解, 促进乳腺癌干细胞和癌细胞衰老和凋亡. 饶江宏等[46]报道了一种能靶向螯合线粒体铜的纳米体系, 该体系通过剥夺癌细胞线粒体铜使呼吸供能模式从氧化磷酸化转变为糖酵解, 并降低能量产生抑制癌症生长. 施剑林等[47]将一种金属离子螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)负载到神经降压素(NT)修饰的Zn-Al层状双氢氧化物(LDH)中. 该体系能够在膀胱肿瘤部位有效富集, 其释放的EDTA分子通过EDTA-Ca2+螯合作用从细胞间钙依赖性连接蛋白中剥夺了Ca2+, 导致肿瘤分解. 毛宗万、谭彩萍等[48]设计了偶联临床铁螯合剂地拉罗司的线粒体靶向配合物. 该配合物特异性地将细胞铁富集于线粒体, 干扰线粒体代谢, 同时提高DNA、RNA和组蛋白的甲基化水平, 最终改变RNA聚合酶II的活性以及基因表达图谱.H+浓度调控对维持正常生理稳态也至关重要. Makoto Nakanishi[49]发现谷氨酸代谢酶1 (GLS1)抑制剂可以通过pH调节选择性清除体内的衰老细胞, 这一过程与H+浓度梯度密切相关. 由于衰老细胞中溶酶体膜受损, 其内部H+会泄露到胞质, 导致胞内pH下降. 这种酸性环境促使GLS1基因编码的肾型谷氨酰胺酶表达量上调, 进而增强谷氨酰胺的分解代谢, 产生的氨能够中和胞内的低pH, 因此提高了衰老细胞的存活率. 另外, 金属配合物通过碱性阴离子转运实现对肿瘤细胞的清除. 例如, 溶酶体定位的环金属铱将肿瘤胞质中的HCO3−转运至溶酶体的同时外排Cl−,降低溶酶体H+浓度并诱导其碱化, 从而使自噬流发生阻滞, 促进肿瘤凋亡, 这被认为是规避肿瘤耐药性的策略之一[50]. 此外, 张俊龙等[51]报道了一种靶向位于内质网膜的蛋白质二硫键异构酶的镓配合物. 该配合物可作为有效的阴离子转运蛋白, 影响pH梯度并改变膜通透性, 导致线粒体功能障碍和铁从电子转移链(ETC)中释放. 通过阻止抗氧化谷胱甘肽(GSH)系统的修复, 加强脱铁作用. 当和膳食多不饱和脂肪酸联合治疗时, 可增强脱铁症期间的脂质过氧化, 在体外和体内都显示出协同作用.2.2 诊疗元素与药物化学生物学2.2.1 诊疗元素化学药物在治疗领域发挥举足轻重的作用. 通过人工设计含特定元素的化学分子, 可以实现对生物功能的调控, 并在疾病诊断与治疗中具有重要应用. 如图2所示, Peter Sadler总结了临床使用的元素药物与诊断试剂. 事实上, 药物通常由多种元素组合而成. Njardarson[52]对美国食品和药物管理局(FDA)批准的药物中元素的多样性进行了分析, 结果表明, 除碳, 氢, 氧和氮元素外, 硫是药物中最常用的元素, 随后是氯、氟、磷、溴、碘、铁、铂和钙等(图3). 虽然仅有1.6%的药物含有过渡金属元素, 但以顺铂为代表的过渡金属药物在抗癌方面发挥着不可替代的作用. 它们属于配位化学反应动力学惰性, 与多齿配体结合通常具有稳定的化学结构.图 2 临床使用的化学元素药物和诊断试剂图 3 美国FDA批准上市的化学药物元素组成(C、H、O、N除外)[52]铂Pt(II)/Pt(IV): 郭子建率先提出金属免疫, 并与王晓勇[53]将青蒿琥酯与奥沙利铂(OP)偶联, 设计了一种以多种肿瘤细胞过表达的髓系细胞触发受体2 (TREM2)为靶点、具有重塑肿瘤微环境和增强T细胞抗肿瘤活性功效的Pt(IV)化学免疫治疗剂. 针对四价铂前药, 郭子建与刘志博[54]利用放射线的特点, 发展出放疗在肿瘤中特异性激活Pt(IV)化疗前药的精准化疗技术. 随后, 该团队[55]阐明了医用β核素驱动前药释放的可行性, 并通过[177Lu]激活Pt(IV)前药实现转移瘤联合治疗, 为靶向放射性核素疗法与化疗的协同提供了全新模式. 朱光宇[56]系统性地开展了四价铂前药研究. 设计合成了一种新型近红外光激活的Pt(IV)光氧化剂. 该Pt(IV)光氧化剂能够在近红外光照射下, 以不依赖氧气的方式氧化多种肿瘤相关的生物分子. 与传统临床铂药物相比, 该Pt(IV)光氧化剂的暗毒性极低,一旦受到近红外光的激活, 其抗肿瘤活性会显著提高, 并能够克服肿瘤细胞对铂类药物的耐药性. 近年来, 核酸G-四链体已发展成为有前景的癌症治疗靶点, 为DNA反应性药物提供了靶向选择. 然而, 由于G-四链体结构在体内具有高度动态性和微环境依赖性, 如何控制G-四链体配体的可及性是一个重大挑战. 毛宗万等[57,58]开展了以G-四链体靶向调控的抗肿瘤Pt(II)配合物研究, 通过增加微核形成和DNA损伤来发挥全基因组效应, 影响肿瘤通路、胞质DNA感受通路和免疫应答等信号通路, 从而诱导免疫原性细胞死亡(ICD). 之后该团队还通过G-四链体和高尔基体双靶向卡宾Pt(II)配合物触发高尔基体应激和细胞核DNA损伤, 激活细胞自噬与凋亡串扰并导致自噬梗阻, 实现细胞及活体肿瘤的高效抑制[59]. 最近, 又构建了多种实现肿瘤特异性激活的“双锁”Pt(IV)前药, 触发协同的铁死亡和细胞凋亡[60,61].铱Ir(III): 除铂类化合物外, 基于其他过渡金属如Ru、Ir、Re、Au元素药物的设计及其化学生物学研究也取得突出进展. 其中, 环金属铱配合物的高量子产率的荧光特性及高抗癌活性使其成为潜在的诊疗药物. Peter Sadler、巢晖、Gilles Gasser等[62]报道了一例具有高氧化态的Ir(III)光催化剂, 可以通过光催化氧化1,4-二氢烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH, 活细胞中的重要辅酶)产生NAD*自由基, 并进一步引发NADH耗竭、细胞内氧化还原失衡和肿瘤ICD. 之前, 毛宗万研究团队[63,64]还筛选出咔啉生物碱铱配合物作为肿瘤特异性靶向和高pH响应的光动力诊疗剂, 诱导Caspase和ROS依赖的细胞凋亡, 通过双光子磷光成像追踪到溶酶体自噬过程中自噬小体融合的精细过程. 铁死亡是近年来发现的一种程序性细胞死亡, 铁死亡诱导剂作为新的抗肿瘤药物具有巨大潜力. 毛宗万等[65,66]报道了一个定位溶酶体的二茂铁Ir(III)配合物, 在溶酶体的酸性环境下, 能有效催化Fenton反应, 诱导脂质过氧化, 通过铁过载导致铁死亡. 近期又开发了纳摩尔级光毒性的Ir(III)-三苯胺光敏剂, 光照后发生光驱动细胞内迁移, 造成KEAP1蛋白、DNA等生物大分子的级联损伤, 从而同时引发内源性铁应激的细胞焦亡和铁死亡串扰, 并进一步触发免疫原性细胞死亡. 最近,梁宏等[67]报道了一种利用氧基皂啡生物碱修饰的Ir(III)配合物, 其通过靶向溶酶体组织蛋白酶D, 激活LKB1-AMPK-ULK1信号通路, 诱导自噬依赖性ICD, 可以在体内外展现出显著的抗肿瘤效果.钌Ru(II): 相分离过程异常与多种重大疾病的发生和发展相关联, 对相分离过程的调控与示踪将有助于人们更好地理解这些疾病的发生机制, 同时也可为它们的治疗提供新策略. 最近, 一种双三苯基膦钌配合物被报道, 该研究不仅通过调节染色质可及性来改变基因的表达模式, 还通过磷光成像和磷光寿命成像技术, 在活细胞中可以观察到DNA的相分离行为[68]. 针对精确传递和原位催化在催化医学中的挑战性, 毛宗万[69]报道了抗体-芳基钌杂合体, 其催化吉西他滨前药不仅能诱导DNA损伤, 还能有效阻断癌细胞中的Her2信号通路. 巢晖等[70]报道的高正电荷的Ru(II)配合物, 通过高效诱导肿瘤细胞DNA缩聚, 阻碍DNA解旋酶、聚合酶、RNA聚合酶II和转录因子等核酶的识别和结合, 全面抑制DNA的复制、转录和修复, 在顺铂耐药的A549/DDP细胞中表现出显著毒性, 展现出克服耐药性的潜力. 另外, 钌(Ru)基光敏剂(如TLD-1433)也常用于光动力治疗,通过光激活产生ROS杀伤癌细胞[71].铼Re(I): 一种理想的肿瘤治疗方法不仅要破坏原发肿瘤, 还要提高肿瘤微环境的免疫原性, 以达到令人满意的抗肿瘤免疫效果. 毛宗万研究团队[72]设计了一个焦亡诱导配合物. 该配合物不仅能在缺氧下高效进行I型和II型光动力治疗, 还能激发gasdermin D介导的细胞焦亡, 可在体内完全激活T细胞依赖的适应性免疫反应, 最终在破坏原发肿瘤的同时消除远端肿瘤. 罗锦荣[73]设计了一例四嗪修饰的光功能性Re(I)抗肿瘤配合物, 通过生物正交裂解反应促使四嗪基团与Re(I)聚吡啶配合物的分离, 并释放出毒性Re(I)氨甲基吡啶配合物, 引发溶酶体功能障碍并诱导ICD的发生.金Au(I)/Au(III): 张静和唐本忠[74]报道了一例氮杂环卡宾-Au(I)配合物, 可有效抑制硫氧还蛋白还原酶(TrxR)、高效生成ROS和促进细胞氧化还原应激诱导的ICD的协同作用. 同样, 邹滔滔[75]基于该TrxR靶点,设计并合成了一类Au(III)烷基光活化前药. 该前药在光照条件下通过β-氢消除机制发生金-碳键断裂, 释放Au(III)氢化物并进一步与在Au(III)烷基配合物的催化作用下被过量的巯基化合物还原为Au(I), 实现可控的TrxR抑制性和抗肿瘤活性.锌Zn: 过量Zn2+会诱导肿瘤发生免疫原性焦亡, 促进抗肿瘤免疫信号的传递, 因此也是肿瘤治疗的重要切入口. 凌代舜等[76]构建了一种Zn2+掺杂的层状双金属氢氧化物, 能持续中和肿瘤区域的过量H+实现Zn2+靶向释放, 破坏溶酶体阻断自噬, 诱导线粒体损伤,激活ICD. 聂广军等[77]开发了锌基纳米分子机器, 主动跨越血管内皮屏障高效富集于肾肿瘤, 并在酸性微环境中解离出Zn2+, 诱导金属硫蛋白-1X表达上调的同时释放炎性细胞因子, 进一步实现化疗药物的减毒增效. 毛宗万团队[78,79]以Pt(IV)前药为分子工具, 通过抑制或干预以锌为金属中心的碳酸酐酶或超氧化物歧化酶, 有效破坏了肿瘤细胞内锌离子稳态, 调控了肿瘤微环境, 最终导致细胞凋亡或焦亡.锰Mn: 锰基材料结合传统或新型治疗方式, 为肿瘤治疗提供了新策略. 它不仅保留了金属小分子或纳米颗粒的抗肿瘤功能, Mn的加入还通过协同作用增强了治疗效果. 彭汉勇团队[80]开发了一种温控合成策略, 用于制备多功能DNA模板化碳酸锰纳米颗粒. 该纳米颗粒具有pH响应特性, 能在肿瘤微酸环境(pH 5.5)下快速大量释放Mn2+, 一方面放大MRI信号实现肿瘤成像, 另一方面通过脱氧核酶(DNAzyme)介导的早期生长反应蛋白1 (EGR-1)基因沉默, 结合Mn2+催化的Fenton反应产生·OH实现协同的化学动力治疗. 张振中团队[81]利用锰的天然免疫激活作用, 构建了一种基于pH敏感型无定形介孔磷酸锰(APMP)的纳米给药系统. 该系统负载拓扑异构酶Ⅱ抑制剂阿霉素(DOX), 可靶向肿瘤细胞, 释放低剂量DOX并诱导DNA泄露至胞质, 同时显著提高胞内Mn2+水平, 协同增强cGAS-STING通路, 激活天然和适应性免疫应答. 张俊龙等[82]也开发了一种模拟天然锰过氧化氢酶核心结构的双核锰配合物. 该配合物通过清除H2O2诱导的ROS累积, 减轻脂质过氧化, 在治疗角膜碱烧伤损伤方面展现出良好的疗效和安全性.铁Fe: 周子健等[83]设计了基于Fe(III)-croconaine (克酮酸菁)复合物的纳米颗粒(Cro-Fe@BSA)用于联合光热疗法. 肿瘤细胞内的酸性环境和高浓度GSH触发了Fe3+的解离和还原, 同时恢复croconaine光热转换能力, 通过激光照射产生的热量提高Fenton反应, 增强铁死亡. 而铁死亡抑制热休克蛋白表达, 阻断了肿瘤细胞对热损伤的自我保护机制, 从而提升光热疗效. 刘世勇等[84]设计了一种自溶性两亲聚二茂铁纳米药物, 用于协同增强肿瘤化学动力学治疗. 在酸性条件下纳米颗粒解聚释放氮杂醌甲基衍生物(AQM)和氨基二茂铁(AFc), 能够消耗GSH和促进ROS爆发, 有效抑制肿瘤, 同时体内实验表明该纳米颗粒具有显著的肿瘤靶向和滞留能力, 为增强化学动力学疗法在精准医疗中的应用提供了新策略. 施剑林等[85]设计了一种铁浓度增强的Fe/Al层状双氢氧化物(Fe/Al-LDH)纳米药物, 用于协同铁死亡与免疫治疗, 有效逆转肿瘤免疫抑制微环境. 该纳米药物能够响应酸性环境释放铁离子, 诱导铁死亡, 同时释放钙网蛋白(CRT)和高迁移率族蛋白B1 (HMGB1)等损伤相关的分子模式 (DAMPs)促进DC成熟, 通过NF-κB通路诱导巨噬细胞极化为抗肿瘤M1表型, 增强免疫治疗效果.铜Cu: 张先正等[86]将铜基外壳通过Cu2+与3,3′-二硫代双(丙酰肼)自组装包覆在过氧化钙纳米粒子上,并通过表面修饰实现肿瘤靶向和负载溴结构域蛋白4 (BRD4)抑制剂JQ-1, 降低IFN-γ诱导的PD-L1的表达, 利用铜死亡介导的免疫治疗纳米反应器增强抗肿瘤免疫. 苏畅团队[87]构建了一种锚定于中空碳纳米球上的铜基单原子纳米酶, 以Cu-N3O结构为活性中心通过双催化路径同步将H2O2和O2转化为·O2−与·OH, 展现出优异的类过氧化物酶和类氧化酶活性, 且兼具显著的光热转换性能, 表现出优越的肿瘤杀伤能力. 余靓等[88]基于结肠癌微环境中H2S过表达的特点, 利用羟基磷酸铜纳米颗粒能与H2S反应转化为硫化铜的特性, 使单分散的羟基磷酸铜纳米颗粒通过原位硫化作用转变为超小的硫化铜纳米颗粒, 通过提高铜基纳米颗粒的内吞和抑制铜离子的外排实现肿瘤细胞内铜稳态的失衡, 进一步诱发细胞焦亡和铜死亡. 赵春顺课题组[89]提出了一种金属配合物前药的设计策略, 使低毒性的金属配合物前药DPBD-Cu响应肿瘤微环境中高水平的过氧化氢发生断键后释放出游离二硫代氨基甲酸(DTC), DTC竞争性螯合DPBD-Cu分子内的Cu2+原位形成了具有生物活性的Cu(DTC)2, 再通过前配体、病理特征响应的化学敏感键、可携带金属离子的基团等, 实现了在特定条件下原位合成金属配合物并激活治疗作用的目的. 谷战军等[90]合作开发了一种含铜的夹心型多金属氧酸盐作为可控铜死亡纳米胶囊, 在暴露于电离辐射时释放铜离子导致以铁-硫簇蛋白丢失和脂酰化蛋白聚集为特征的铜死亡, 同时辐射诱导的铜死亡能够克服肿瘤的获得性辐射抗性, 并激活了强大的远隔效应, 可以在优化放疗的局部抗肿瘤效应的同时激活系统性抗肿瘤免疫.硫S/硒Se: 从图3可以看出, 硫是除碳、氢、氧、氮之外在药物中出现最多的元素, 且含硫药物的比例呈现持续增长趋势. 根据2020~2024年FDA新批准药物的最新统计数据, 近五年间新批准的含硫药物比例从2020年的11%已上升到2024年的20%[91].而作为与硫同族的硒元素, 近年来也因其在癌症、中风和糖尿病等疾病的治疗方面展现出潜力而引起广泛关注. 陈填烽[92]设计的硒纳米颗粒(LNT-Se)能够迅速激活硒蛋白, 上调谷胱甘肽过氧化物酶1 (GPx1)使巨噬细胞重新极化, 从而抑制破骨细胞生成和病理性骨质流失. 该团队[93]还开发了一种基于硒纳米的口服水凝胶微珠, 其可通过介导硒蛋白的原位合成, 显著抑制促炎细胞因子的分泌, 同时重新分布免疫细胞, 从而有效缓解结肠炎相关症状. 此外, 该方法还能调节肠道菌群组成,维持肠道微生态平衡, 为硒蛋白疗法提供了重要的拓展方向. 黄震等[94]利用人工合成的硒修饰脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP) (dNTPαSe)代替天然dNTP作为聚合反应的底物, 通过降低聚合速度增加聚合酶识别的准确性, 从而有效抑制包括引物-引物错配延伸、模板-模板错配延伸、引物-模板错配延伸和聚合酶头合成在内的多种非特异性扩增.磷P/砷As/铋Bi: P是人体必需的元素之一. 在医学领域, 含磷药物如阿兹夫定在治疗新型冠状病毒感染(COVID-19)等方面发挥了重要作用. 在医学材料领域, 含磷材料的多电荷影响和蛋白冠特性可用于调控蛋白凝聚状态和靶向特定细胞器. 在农业领域, 传统含磷农药的环境问题促使新型高效磷肥和低毒农药的研发, 如双甲胺草磷、氯酰草膦. 此外, 磷不仅是核酸和细胞膜的重要组成部分, 还在维持细胞正常生理功能及构建骨骼中发挥着不可替代的作用. 赵劲[95]创新性地以氧化黑磷纳米片为研究对象, 发现氧化黑磷展现出了良好的骨代谢调节潜力, 有望作为经典抗骨吸收药物双膦酸盐(BiP)的升级替代, 成为治疗骨质疏松等骨代谢性疾病的高效纳米材料. 砷(As)元素对克服白血病里的急性早幼粒细胞白血病具有重要作用, 临床统计数据表明三氧化二砷对急性早幼粒细胞白血病治愈率达到了90%[96]. 赵劲等[97]构建了一种可诱导铁死亡的砷-铱纳米平台(AsIr@PDA), 通过在砷纳米片表面负载铱配合物(IrFN)以诱导铁死亡, 并包裹聚多巴胺(PDA)提升其稳定性、光热性能和光响应性药物释放效率. 更重要的是, 该平台结合了砷的免疫调节特性, 显著增强了诱导细胞免疫原性死亡的能力, 从而激活抗肿瘤免疫反应, 在胰腺癌模型中表现出优异的清除效果. 另外, 基于Bi元素制备的铋剂, 如枸橼酸铋钾、胶体果胶铋和次水杨酸铋, 广泛用于治疗消化性溃疡、根除幽门螺杆菌(Hp)、预防和治疗腹泻[98]. 孙红哲等[99,100]发现金属铋类药物可有效地治疗由新型冠状病毒、耐药性细菌感染所引发的疾病.碳C: 近年来兴起的不依赖氧气的碳自由基治疗[101]可针对性地提高乏氧肿瘤的治疗效果. 步文博等[102]利用碳自由基(R·)灭活NF-κB用于根治性封顶治疗, R·介导亲电自由基加成到DNA中双键, 同时通过自由基链反应封盖NF-κB中的巯基残基, 从而产生显著的NF-κB失活效果和肿瘤转移抑制作用. 这种机制在生物大分子可控修饰和根治性介导癌症治疗中有很大潜力. 巢晖和张喜庭等[103]合作报道了一例线粒体靶向的蒽醌铱(III)配合物用于乏氧肿瘤光动力治疗, 在乏氧条件下, 具有蒽醌基团的配合物Ir4可被还原成具有二羟基蒽结构的Ir4-red, 并在双光子(730nm)激发下产生碳自由基, 损伤线粒体最终诱导肿瘤细胞凋亡, 克服了乏氧环境对抗肿瘤光敏剂的限制. 刘习强等[104]设计了一种靶向纳米颗粒P2@IR1061-RGD NPs, 用于NIR II窗口下的光热治疗/光动力治疗(PTT/PDT)联合治疗.其中, 含偶氮聚合物(P2)封装NIR II光热染料IR1061, 在1064nm光照射下产生的光热效应可以破坏P2的偶氮键高效生成碳自由基, 从而诱导癌细胞凋亡和坏死, 克服了传统PDT在缺氧肿瘤中的局限.阴彩霞等[105]开发了一种新型光活化探针BI, 光激发(405~660nm)可触发生成高效碳自由基(BI·)和超氧阴离子(·O2−), BI·偶联形成二聚体BI-BI, 后者在·O2−作用下形成扩展共轭体系Cy-BI, 具有超高光热转换率. 作为强大的自由基源, BI具有克服临床缺氧障碍的潜力, 实现了显著的肿瘤协同治疗效果.硼B: 富含硼-10的氨基酸硼药, 在二元肿瘤硼中子俘获疗法(BNCT)中得到广泛重视[106]. 硼杂环药物在治疗隐孢子虫腹泻病也具有临床治疗潜力, 在寄生虫磷酸二酯酶抑制剂SLU-2815中引入苯并口恶硼吡咯生成了SLU-10906, 显著提高了其对隐孢子虫磷酸二酯酶的亲和力和选择性, 表明硼基团的酯环结构能增强抗寄生虫活性[107]. 此外, BNCT近年来也受到了大量关注. 赵利等[108]设计并合成了聚甘油包覆富集六方氮化硼纳米颗粒(h-10BN-PG)用于小鼠结肠癌模型治疗. 得益于超小粒径和“隐身”表面修饰, 该纳米载体在肿瘤中高效积累, 单次静脉注射纳米颗粒结合一次中子束照射即可显著缩小移植瘤体积. 该疗法不仅通过直接破坏肿瘤细胞DNA发挥作用, 还诱导了肿瘤内明显的炎症性免疫反应, 增强了持续抑瘤效果. 刘志博等[109]构建了一种含有免疫佐剂的硼胶囊(基于含硼共价有机框架材料), 通过中子照射触发胶囊破裂并同步释放佐剂, 以激发强烈的抗肿瘤免疫应答. 研究发现, BNCT过程中产生的高能粒子在硼胶囊中产生大量结构缺陷, 加速了药物的释放. 在小鼠肿瘤模型中, 联合使用BNCT和上述佐剂控释策略几乎完全消除了原位和远处移植瘤, 显示出显著的全身抗肿瘤疗效; 随后, 该团队采用选择性氟化α-硼氨基化合物的方法合成了含双硼结构的氟硼苯丙氨酸(BBPA), 并标记18F用于光诱导电子转移(PET)成像和BNCT治疗. 研究表明, 在多种肿瘤模型中, [18F]BBPA-PET成像具有极高的对比度, 其肿瘤摄取随BNCT剂量保持稳定, 可准确预测肿瘤内硼含量. 由于双硼结构的引入, BBPA在肿瘤组织和肿瘤细胞中的硼含量显著高于传统BPA, 从而可用更低剂量的药物实现理想的治疗效果[110].氟F: 全氟化碳(PFC)是优越的载氧剂, 合成血液能够替代为血液循环系统提供临时支持, 为身体组织提供应急供氧[111]. 胡一桥与吴锦慧等[112]设计了一种PFC纳米颗粒, 其不仅可通过PDT效应破坏肿瘤血管,从而提高药物在肿瘤部位的渗透性; 还可作为“吸氧海绵”, 将进入肿瘤组织的氧气进行富集并逐步消耗, 从而为依赖乏氧条件激活的药物提供有利环境. 姜鹏团队[113]通过人血清白蛋白修饰的全氟三丁胺纳米乳构建“液-液”界面体系, 利用超声振荡过程中空化气泡的生成与破裂, 实现H2O和PFC间的高频接触与分离. 在此过程中, H2O分子中的氧原子失去电子, 生成·OH, 而PFC分子则得到电子形成带负电的PFC*, 同时水中溶解的O2在超声辅助下从带负电的PFC*获得电子, 产生·O2−. 因此, 在超声条件下该PFC纳米乳可以产生多种自由基且不受氧气浓度限制, 从而触发肿瘤细胞ICD, 促进DC成熟和巨噬细胞极化, 激活T细胞介导的抗肿瘤免疫反应来消融肿瘤. 此外, [18F]-氟代脱氧葡萄糖(FDG)是由放射性同位素18F取代葡萄糖2位的羟基所构成, 利用PET技术, 18F-FDG在肿瘤学临床医学影像和肿瘤扩散方面有着大量的应用, 被誉为癌症诊断的“世纪分子”.氢H/氧O: 氢气治疗[114]在抗肿瘤、抗炎、细胞保护、神经保护、抗氧化具有一定的疗效, 但目前仍然需要进一步的科学研究明确其安全性. 单线态氧和氧自由基在肿瘤光动力治疗领域已获得广泛使用[115].放射性元素: 放射治疗(放疗)与手术治疗、药物治疗一起构成了肿瘤治疗的三大最主要手段, 超过50%的癌症病例需要放疗, 电离辐射通过辐解组织中的水产生自由基(如羟基自由基和水合电子), 这些自由基继而损伤肿瘤细胞的DNA等关键分子, 从而产生杀伤效应. 放疗具有组织穿透性高且散射小的特点, 因此响应放疗的前药释放策略能够为缓解化疗药物毒副作用提供支持. 镥(177Lu)标记前列腺特异性膜抗原(PSMA) (如Lu-PSMA-617)靶向前列腺癌, 通过β辐射杀死肿瘤细胞[116]; 锶(89Sr)和钐(153Sm)用于骨转移癌的镇痛治疗. 钆(Gd)和碘(I)等可用于医学诊断与成像, 钆(Gd)基造影剂(如Gd-DTPA)增强MRI成像对比度, 用于肿瘤和血管病变检测. 刘志博等[117]报道了一种基于PET化学的放疗去保护策略, 该研究筛选出N-烷基-4-吡啶鎓作为理想的脱笼保护基团, 并将其应用在一种抗体偶联药物(ADC)中, 并证明放疗结合ADC药物的策略效果明显优于单独的放疗方法. 该团队[118]进一步利用157Gd (n, γ)反应产生的俄歇电子、X射线、γ射线和内转换电子激发激发金属有机框架(MOFs)材料, 在肿瘤内原位产生·OH和1O2等ROS, 杀伤肿瘤细胞并激活全身肿瘤免疫. 庞小溪等[119]开发了一种专门用于MRI引导Gd-NCT的新型治疗性生物钆剂157Gd-DOTA-PSMA, 利用PSMA引导钆纳米细胞治疗(Gd-NCT)靶向治疗前列腺癌的可行性, 同时可以利用PET/CT和MRI等手段动态监控药物输送, 且利用中子辐照作用有效地诱导DNA损伤和凋亡. Chen团队[120]将纳米技术衍生的钆双胺隐藏的磁性纳米颗粒Gd-FPFNP与脐带间充质干细胞结合开发了一种干细胞-纳米颗粒系统(SNS), 主动靶向星形胶质瘤进行Gd-NCT, 不仅可以通过磁引导其定位, 还可以有效减少钆双胺的降解和解离, 显著提高T/B和T/N比率和生物安全性. 碘(I)标记分子(如125I-甲状腺素)用于放射性示踪和甲状腺功能评估. 锕系元素普遍具有放射性的特点. 王殳凹[121]从锕系元素配位化学角度出发, 设计了一系列高效促排剂, 在核应急及辐射防护领域展现出良好的应用潜力. 陈小元等[122]报道了一例结合了化疗药物喜树碱与放射性核素(177Lu/68Ga/64Cu)的自组装纳米诊疗体系, 利用Evans蓝与血液白蛋白结合的特性, 实现了肿瘤靶向富集、智能释药与实时成像.2.2.2 诊断试剂除了治疗用途外, 元素在医学诊断和成像中同样发挥着关键作用. 人工设计的诊断分子常通过引入特定元素来赋予独特的化学或光物理性质, 从而在生物医学研究中发挥关键作用. 主族元素构建的放射性探针可实现高灵敏度生物示踪. 例如,68Ga标记的DOTA-3-酪氨酰基-奥曲肽(DOTATATE)和PSMA-11分别用于神经内分泌肿瘤与前列腺癌的PET成像; 18F标记化合物可突破生物背景干扰实时追踪人体菌群代谢; 而超极化129Xe气体灌注技术能以皮摩尔级灵敏度增强肺部MRI信号, 精准监测肺功能病变[123]. 过渡金属探针则可通过配体设计精确调控其功能. 例如, 铁基大环配合物Fe(TOB)经疏水性优化显著延长血清蛋白结合时间达3倍, 为MRI动态监测创造时间窗口[124]. 钌(II)配合物兼具磷光与单线态氧生成能力, 其四嗪修饰衍生物通过生物正交反应实现癌细胞选择性成像与治疗[125]. 而含腈基多吡啶配合物[Ru(phen)2(11,12-dCN-dppz)]2+可特异性探测G-四链体DNA微环境[126]. 线粒体靶向的锇(II)配合物[Os(TAP)22tpphz]4+更能在近红外激发下穿透核膜实现DNA超分辨成像[127]. 稀土元素配合物在生物成像和检测中也具有重要应用前景. 铕(Ⅲ)配合物如[Eu(pcta-PEPA2)]可用于肿瘤术中光学成像, 而铕掺杂碳点(Eu-CDs)可高选择性检测生物样品中的谷胱甘肽含量[128,129]. 铽(III)配合物凭借ms级发光寿命优势, 结合时间门控技术有效消除背景荧光, 其中聚酰胺-胺(PAMAM)树枝状大分子构建的敏化发射福斯特共振能量转移(cFRET)探针实现三种DNA靶标同步检测[130]. 基于大环结构铽配合物构建的CoraFluors探针则通过时间分辨FRET (TR-FRET)定量活细胞内蛋白质-配体相互作用[131]. 李富友等[132]发现, NaYbF4纳米粒子具有与激发波长一致的发射峰. 进一步研究显示, 其他单一稀土中心纳米材料(如铒(Er)、铥(Tm)、钕(Nd))也普遍存在这种“零Stokes位移”特性, 因此有效减少了能量传递和弛豫过程中的损耗, 提升了发光效率, 并具有微秒级的发光寿命. 基于此, 发展出一种时间域荧光成像方法, 广泛应用于多通道生物活体成像、荧光加密与解码及高灵敏度肿瘤被动靶向成像等领域.表1总结了2.1和2.2节中提到的各种代表性元素在化学生物学中的主要功能.表 1 元素在化学生物学中的主要功能2.3 元素化学生物学研究新方法和新技术元素化学生物学研究的新方法和新技术包括金属多维组学、超分辨成像技术、质谱成像、原位示踪、现代顺磁共振技术、多维生物核磁共振技术、大数据分析、纳米递送、靶向蛋白质降解技术、基因编辑技术等. 这些技术为元素化学生物学的研究提供了强大的工具, 推动了从原子到生物系统的全链条研究, 为精准医学和环境科学等领域带来了新的突破.多维组学技术: 金属多维组学整合了金属离子的化学形态、空间分布、氧化还原状态及其与生物大分子(如DNA、蛋白质)的功能关联, 形成多维度的动态分析框架. 该技术结合同步辐射技术(如X射线荧光成像、XANES)、质谱、计算化学等手段, 不仅能定量定位金属药物的亚细胞分布, 还能揭示光激活过程中金属物种的化学转化路径及靶点作用模式. 孙红哲[133]近年来通过整合多种组学技术, 实现了对金属药物分子机制的深入研究, 通过固定化金属离子亲和层析/差异凝胶电泳技术(IMAC/2D-GE)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)等联用技术, 系统分析了金属铋药物在幽门螺杆菌内的结合蛋白, 揭示了金属铋在生物体内的分子靶点及其作用机制, 同时, 通过整合金属蛋白质组学、代谢组学及转录组学技术, 发现了金属镓药物的抗菌机制. Sadler等[134]聚焦于光活化金属药物的创新设计及机制研究, 提出了“激发态金属组学”框架, 通过红移吸收波长的多核金属簇Os-Ru异金属配合物、缺氧响应型铂(IV)前药及光开关配体二噻吩乙烯实现了时空精准治疗. 王初等[135]开发了一种名为METAL-TPP的化学蛋白质组学方法, 结合热稳定性定量蛋白质组学分析技术(TPP)鉴定金属结合蛋白, 为研究金属结合蛋白质组学提供了新的实验技术.伊成器[136]开发了一种名为“cisplatin-seq”的测序技术, 结合顺铂-DNA交联产物阻碍DNA合成的特性, 实现了对顺铂结合位点的碱基分辨率检测, 成功绘制了人肿瘤细胞中顺铂-DNA交联在全基因组范围内的分布图谱, 为系统解析顺铂的作用机制和靶点选择提供了重要工具. Dorrestein[137]开发了一种基于两步电喷雾电离质谱的代谢组学策略, 通过柱后pH调节与金属注入结合规则化的离子识别分子网络, 实现了复杂样品中金属结合化合物的高效识别, 具有广泛的金属通用性, 有望成为解析生物体系中金属结合分子的通用平台. 叶明亮[138]开发了一种以肽段为核心的蛋白局部稳定性分析技术(PELSA), 可用于系统鉴定多种类型配体(包括药物、抗体、磷酸化肽、金属离子和代谢物)与蛋白的结合区域, 并测定局部结合亲和力, 为研究蛋白-配体相互作用提供了高分辨率、定量化的策略. 此外, 过渡金属配合物因其独特的光催化活性, 在多组学研究技术的构建中展现出重要潜力. 陈鹏[139]基于金属铱光催化的生物正交反应原理, 构建了线粒体蛋白质组学技术(CAT-Prox), 在难以操作的细胞中实现了高特异的线粒体蛋白质组学的时空分析.超分辨成像技术: 超分辨成像技术突破传统光学显微镜的分辨率极限, 能够在纳米尺寸上观察生物分子和细胞结构. 该技术通过创新的光学、化学和计算方法, 克服了衍射极限的限制, 使得分辨率可以达到几十纳米甚至更高. 超分辨成像技术可以用于研究细胞器的超微结构(如线粒体、内质网、细胞骨架), 研究突触结构和神经递质的分布等. Sunbul等[140]将荧光点亮适配体和蛋白质结合适配体进行结合, 实现了对蛋白质的高分辨率成像. Vicidomini等[141]提出了一种结合单光子探测器阵列和时间标记数据采集模块的显微镜平台, 能够同时进行荧光寿命成像、荧光相关光谱和双色荧光交叉相关光谱等多种测量, 从而在多个时空尺度上研究生物分子的动态行为, 未来, 这种技术有望在神经退行性疾病和其他生物分子凝聚体的研究中发挥重要作用. 郭子建[142]开发了一种基于超分辨成像的细胞器识别与锌离子动态监测新策略(Zn-STIMO), 通过单探针染色结合细胞器形态特征, 实现对多细胞器中Zn2+水平的同时追踪, 有望推动亚细胞器锌生物学研究的深入发展. 此外, 过渡金属配合物凭借其独特的光物理特性, 如磷光发射、大Stokes位移和优异的光稳定性, 在生物成像领域表现出显著优势. 任咏华等[143]报道的一种具有大Stokes位移的双核铂配合物, 适用于超分辨成像, 可以实现在活细胞内跨亚细胞器追踪. 周翔[144]构建了G-四链体结合的铱配合物, 结合双光子磷光寿命成像实现了细胞中G-四链体检测.质谱成像: 质谱成像是一种结合质谱分析技术与空间分辨能力的分子成像技术, 可在生物组织切片或材料表面直接检测分子(如脂质、代谢物、蛋白质、药物分子等)的化学组成及其空间分布信息. Gao等[145]提出了一种凝胶辅助质谱成像技术, 突破了传统质谱成像的空间分辨率限制, 实现了亚微米级别的单细胞分子分析. de Miranda等[146]将质谱成像技术与成像质谱流式细胞术相结合, 用于单细胞水平的代谢物分析和细胞表型鉴定, 揭示了组织内细胞的代谢异质性及其与特定细胞群体(如癌细胞或免疫细胞)的关联. 在研究金属候选药物的细胞摄取与分布时, 二次离子质谱成像(SIMS)可以通过特征生物碎片, 如磷脂碎片和DNA脱氧核糖碎片指示亚细胞器的位置, 进而确定金属药物的定位. 汪福意[147,148]利用飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)成像技术, 在单细胞水平上研究了铂类化合物的亚细胞器分布及其与生物靶分子的相互作用, 原位观察到高迁移率族蛋白HMGB1与顺铂损伤DNA的特异性结合, 并发现顺铂损伤DNA会阻断转录因子Smad3与DNA结合, 从而抑制转录活性. Siuzdak等[149]揭示了纳米二次离子质谱成像技术(NanoSIMS)在亚细胞水平上进行代谢物定量成像的潜力, 特别是在代谢通量分析、亚细胞区室化研究和治疗性纳米颗粒的亚细胞定位方面[150]. Gianneschi[151]通过结合NanoSIMS与超分辨荧光显微成像技术, 系统评估了酶响应型Pt(II)纳米颗粒在肿瘤组织中的分布特性. 该研究实现了对195Pt标记的铂药与15N标记的骨架载体在组织水平上的高分辨率共定位成像, 不仅量化了药物释放效率, 还进一步验证了铂药与细胞核DNA结合的递送路径. 2021年, Keppler[152]通过NanoSIMS结合双稳定同位素标记实现了奥沙利铂在结肠癌细胞中的亚细胞器示踪. 利用该技术揭示了铂类药物在核仁中的特异性富集现象, 这一过程引发核糖体生物合成应激, 进一步导致核仁结构的瓦解. 研究表明,核仁是铂类药物作用的关键靶点, 其应激状态与结直肠癌治疗效果具有高度相关性, 该发现也为克服铂类药物耐药性提供了新的干预策略. 同年, Massi[153]开发了铂标记萘二甲酰亚胺探针, 利用NanoSIMS检测195Pt次级离子分布, 在亚细胞器水平验证了探针在细菌内的完整保留与特异性富集, 其定位结果与超分辨荧光显微镜显示的脂质囊泡分布高度吻合, 实现了活细菌脂质囊泡的多模态成像.原位示踪技术: 原位示踪技术通过同位素标记、荧光探针或化学传感器, 结合显微成像或质谱成像, 实现分子(如代谢物、金属离子、药物)的时空动态解析. Roland Nilsson等[154]通过13C示踪与多因素认证(MFA)技术, 在离体人类肝脏中实现了多途径代谢通量的高分辨率解析, 揭示了人类特有的代谢特征(如BCAA直接代谢、肌酸合成), 为代谢疾病机制研究和药物开发提供了更贴近生理的模型. Alexandrov等[155]开发了一种名为13C-SpaceM的空间单细胞同位素示踪技术, 用于研究癌症中脂肪酸代谢的异质性.现代顺磁共振技术: 现代顺磁共振技术通过检测未配对电子的自旋特性解析顺磁性物质的精细结构与动态行为, 结合高频脉冲与电子-核双共振技术, 将分辨率提升至原子级, 并能追踪ns级动态过程. 该技术常用于解析金属酶机制等. Han等[156]通过超高磁场(240GHz)结合钆自旋标记, 突破传统氮氧自由基标记的限制, 实现了室温溶液态下蛋白质AsLOV2构象动态的实时、高灵敏度监测. 顺磁性化学探针在电子顺磁共振和核磁共振光谱中的应用已有四十多年的历史, Ubbink等[157]对现有的顺磁化学探针进行了总结. 陶丽芝等[158]利用顺磁共振技术揭示古菌膜脂(GMGTs)生物合成途径Gms酶的催化机制, 证实Gms含有的三个FeS簇对电子传递和构建C(sp3)–C(sp3)键至关重要, 指出GMGT具有指示海洋缺氧历史变化的地球科学应用潜力.多维生物核磁共振与成像: 多维生物核磁共振技术通过结合高场NMR仪器、同位素标记和先进的NMR实验技术, 常用于研究生物大分子在高浓度或拥挤条件下的结构和动态行为. 近年来, 研究者使用2D NOESY[159]、TROSY[160]等解决了许多问题, 但大部分都是非拥挤条件下的. 例如, Frydman等[161]使用一种新型的NMR技术L-PROSY显著增强了NOESY和TOCSY谱图的交叉峰信号, 从而能够在更高的温度下(不拥挤剂且接近生理条件)研究糖类分子的结构. Kreutz等[160]通过引入[2-19F,2-13C]标记的腺苷来增强TROSY谱图的信号, 解决了大分子RNA在溶液中的结构解析问题. 而Blackledge等[162]用PEG模拟拥挤环境, 使用15N-1H HSQC, 研究了麻疹病毒核蛋白的内在无序区域NTAIL在液-液相分离条件下的动态行为. 刘买利等[163~165]在利用核磁共振研究复杂生物体系中分子相互作用方面取得了突出贡献, 发展细胞及活体NMR/MRI方法, 利用动态核极化(13C、15N、31P、89Y)增强磁共振检测生物标志物, 揭示生物标志物与肿瘤细胞的密切相互作用, 从而促进疾病的诊断和治疗. 刘文婷等[166~169]利用核酸核磁共振技术解析多例Pt(II)配合物与G-四链体的复合物结构, 提出了配合物动力学控制G-四链体识别新策略, 阐明配合物诱导G-四链体杂化聚集、结构变化等多点动态结合新模式, 为活细胞探测设计提供了结构基础.先进计算技术和算法: 大数据分析指通过先进的计算技术和算法, 对大规模、复杂的数据集进行处理、分析和解释, 以提取有价值的信息和洞察, 在化学生物学领域中, 常用于基因组学、代谢组和蛋白质组学数据分析等. 例如, Lumbers等[170]利用两样本孟德尔随机化分析, 结合大规模人群生物样本库的蛋白质组学和基因组学数据, 识别了与心力衰竭及其亚型相关的44种潜在治疗靶点, 解决了心力衰竭治疗靶点发现的问题. Steindler等[171]对350个放线菌基因组进行比较基因组学分析, 结合系统发育树构建、功能注释和差异表达分析等方法, 揭示了海绵共生微生物与自由生活微生物之间的遗传差异. Coskun等[172]使用三维空间代谢组学分析框架, 结合ToF-SIMS技术, 对扁桃体组织中的代谢物进行高分辨率的三维空间分布分析, 揭示了免疫细胞在淋巴组织中的代谢异质性, 并为研究健康和疾病状态下的免疫细胞提供了新的工具. 分子动力学模拟可用于阐明环状肽的溶液结构等[173].靶向蛋白质降解技术: 靶向蛋白质降解技术是一种新型的治疗策略, 旨在通过选择性降解疾病相关的蛋白质来治疗疾病. 该技术在癌症、神经退行性疾病、炎症性疾病和感染性疾病等领域具有广泛的应用前景. Melo等[174]开发了一种抗体介导的靶向蛋白质降解技术PROTACs, 利用细胞表面的E3泛素连接酶来诱导跨膜蛋白的泛素化和降解, 从而克服了小分子降解剂在口服生物利用度和渗透性方面的局限性. Pt(IV)前药作为新一代铂剂, 通过轴向配体修饰, 可精准调控其脂溶性、代谢稳定性、氧化还原行为等, 与靶向蛋白降解技术相结合也成为一种治疗策略. 2025年, 鄢明和张学景[175]在顺铂(IV)轴向位置偶联了靶向PARP蛋白的PROTAC降解剂, 能够同时诱导DNA损伤并降解损伤修复蛋白PARP-1, 这种协同作用显著提升了其抗癌活性, 也为克服铂类耐药性提供了新策略. 朱光宇[176]也在奥沙利铂(IV)轴向位置偶联了靶向BRD4蛋白的PROTAC降解剂(AVR771), 与传统BRD4铂基抑制剂及卡铂相比, 不仅抗肿瘤效力增加了三个数量级, 也通过改变铂药的药代动力学特性在活体模型中表现出更强的治疗适应性. 同年, Ciulli[177]创新性地在一种具有独特结构与功能特性的金属有机分子二茂铁中引入了PROTACs. 利用围绕中心Fe2+自由旋转的环戊二烯基作为分子铰链, 增强PROTACs的动态构象变化, 在非极性环境中产生更多的折叠状态. 这种构象变化提高了PROTACs的细胞渗透性及代谢稳定性, 降低了其对药物外排机制的依赖性, 表现出更稳健的靶标降解特性. 这项研究也证明金属元素具有协同与促进PROTACs的治疗潜力.基因编辑技术: 基因编辑技术是一类能够对生物体的基因进行精准修改的技术. Mattson等[178]利用CRISPR-Cas9技术、碱基编辑、先导编辑、CRISPR-Cas13d技术等基因编辑技术, 通过修正或敲除突变的亨廷顿基因, 减少了突变蛋白的积累, 从而改善亨廷顿病的神经病理症状和运动功能. 曲晓刚等[179]通过联合CRISPR技术和G-四链体结合蛋白/配体开发了可选择性靶向特定基因组G-四链体结构的新策略, 调控G-四链体介导的细胞增殖、分化与衰老. Ferreira等[180]开发了一种基于NIR光激活的纳米颗粒递送系统, 其能够在大脑中实现空间控制的CRISPR-Cas9基因编辑. 王晓东[42]通过全基因组CRISPR-Cas9筛选, 发现ZnT1是调控Cu2+诱导铜死亡的关键基因, 揭示ZnT1作为Zn2+/Cu2+双功能转运蛋白, 在铜离子稳态与铜死亡调控中发挥核心作用, 并为靶向ZnT1治疗铜过载相关疾病(如威尔逊病)提供了新思路. 此外, CRISPR系统对金属离子依赖的催化机制为其活性调控提供了重要切入点. Li等[181]通过解析酸热溶纤维素来源Cas9与靶DNA结合过程中的5个冷冻电镜结构(2.2~2.9Å分辨率), 揭示其依赖Mg2+和Mn2+等金属离子协同调控两个核酸酶结构域的构象变化, 实现双链DNA的精准切割, 并且进一步通过配位残基改造可调控Cas9对不同金属离子的选择性, 从而影响其编辑活性与特异性.近年来, 元素化学生物学的新方法和新技术在多个领域展现了巨大的应用潜力. 如表2所示, 这些技术不仅推动了基础研究的深入, 还为精准医学、药物开发和环境科学等领域带来了新的突破. 随着技术的不断进步, 未来在化学生物学中的应用前景将更加广阔.表 2 元素化学生物学研究中的新方法和新技术及相应用途3元素化学生物学研究的发展趋势3.1 金属介导细胞间通讯和免疫信号传递金属离子(如钠、钾、钙、锌、铁、铜)不仅是细胞的基础元素, 更是细胞间信号传递中不可或缺的精密信使. 它们具有独特的化学性质, 依赖于细胞内外浓度梯度的变化, 通过直接结合蛋白、调节酶活性、改变膜电位或引发氧化应激等方式, 精确调控细胞命运. 这种由金属离子介导的生物信号不仅存在于同型细胞间, 也构成了多细胞免疫的基础. 金属离子通过影响供体-受体结合强度、参与免疫检查点信号通路、诱导细胞因子风暴等机制, 促使免疫细胞发生代谢重编程, 构建起免疫信号传导的核心网络. 对金属离子进行精准调控并追踪其动态过程, 既是当前研究的重要挑战, 也对该领域的发展具有深远意义. 通过多组学整合分析, 解析金属离子在免疫通讯中的动态网络与分子逻辑, 不仅为阐明自身免疫病、慢性炎症和肿瘤免疫逃逸的机制提供新视角, 也为开发靶向金属信号轴、重塑免疫微环境的创新治疗策略奠定了基础.3.2 金属原位调控翻译后蛋白质修饰蛋白质翻译后修饰(post-translational modifications, PTMs)是动态调控蛋白质功能、信号转导及细胞命运的核心机制. 研究发现金属离子(如Zn2+、Cu+/2+、Fe2+/3+、Ca2+)在部分PTMs过程中发挥着至关重要的作用: 金属离子可作为修饰酶活性中心直接催化翻译后修饰过程, 也可通过稳定修饰酶的关键结构域间接调控其活性, 或诱导蛋白质构象变化从而掩蔽或暴露特定的修饰位点[182]. 这些多样化的调控机制共同影响甲基化、磷酸化、乙酰化、泛素化等关键蛋白质PTMs在细胞内的空间分布与动态平衡. 然而, 当前研究主要依赖基于结构解析的体外实验体系, 如何在活细胞内实现对金属离子调控PTMs动态变化的实时监测与精准干预, 仍然是亟待突破的重大挑战. 为应对这一挑战, 亟需发展超高分辨蛋白原位金属成像探针、化学光遗传学工具以及时空分辨修饰蛋白质组学等前沿技术. 阐明生理、病理条件下金属离子-PTMs互作网络的动态变化规律与调控机制, 将为深入解析相关疾病的发生机制, 并针对“金属调控PTMs过程”开发靶向干预新策略, 提供理论基础和技术方法.3.3 金属及配体协同参与基因调控主族金属离子、过渡金属配合物以及配体通过动态稳定核酸二级结构、选择性基因干预、靶向表观遗传修饰和智能响应调控, 多层次多机制调节基因表达, 影响细胞的生理和病理过程. 目前, 金属及配体介导的基因调控正逐渐从静态结合走向动态响应, 从单一靶点迈向多尺度网络. 未来, 随着AI辅助设计、基因编辑和金属组学技术的发展, 可以通过开发金属离子响应型探针监测细胞内核酸动态构象变化, 设计选择性金属-有机杂化分子调控染色质高级结构及多基因协同网络, 利用“时空精准”与“动态激活”的过渡金属配合物提升诊疗效果, 联合基因编辑方法精准干预基因组表达并实现表观基因组的精准重编程, 进一步向动态可视化、智能化和诊疗一体化方向发展, 系统解析金属及配体在细胞生长、增殖、分化、代谢、衰老和死亡过程中的复杂基因调控机制.3.4 金属离子及配合物介导新型细胞死亡金属元素凭借其独特的理化性质和生物活性, 在调控细胞命运和治疗重大疾病中发挥着关键作用[183]. 研究表明, 金属离子及其配合物可通过多种机制干扰细胞内稳态: 一方面, 它们可调节有氧糖酵解与氧化磷酸化过程, 破坏肿瘤细胞的能量代谢平衡; 另一方面, 通过中断GSH/ROS/NADH等介导的氧化还原通路, 诱导细胞发生氧化应激. 此外, 金属离子还可通过结合、隔离或重排关键金属元素(如铁、铜、锌), 影响蛋白质折叠与功能,进而打破细胞的蛋白稳态与信号转导网络. 近年来, 以铁死亡、铜死亡等为代表的金属依赖性细胞死亡方式受到广泛关注, 金属在调控细胞死亡及免疫应答中的作用不断被深入挖掘. 例如, 锰离子可通过激活cGAS-STING通路增强先天免疫反应. 因此, 金属离子及其配合物不仅是细胞毒性杀伤的工具, 更是精准调控细胞命运与免疫响应的战略分子, 在元素化学生物学中占据着核心地位, 并为新型金属药物设计与肿瘤免疫治疗提供了广阔空间.3.5 新靶标驱动元素药物发展以新靶标驱动的元素药物研发呈现多维度创新趋势, 蛋白质降解剂和抗体药物偶联物(ADC)是元素药物发展聚焦的两大方向. 蛋白水解靶向嵌合体(PROTAC)通过异双功能分子诱导E3泛素连接酶接近目标蛋白, 且开始探索金属元素介导的降解体系, 如铂(IV)轴向修饰PROTAC和二茂铁铰链PROTAC. 分子胶通过诱导蛋白质新偶联拓展靶标空间, 近期研究结合金属离子(如锌、镁)形成多配位复合体, 为攻克传统小分子难以结合的蛋白界面提供新思路. ADC则通过单抗精确识别并递送细胞毒载荷, 新一代ADC开始采用金属核素放射性同位素(64Cu、111In)及MOF载体, 实现可控载药释放及诊疗一体化. 新靶标驱动的元素药物发展正迈向“精准靶向-功能诱导-多模集成”新范式, 金属元素在结构修饰、功能转化及跨界递送中展现独特调控价值, 正重塑分子设计与机制干预边界.3.6 放射性核素的诊疗化学生物学放射性核素因其独特的核物理性质, 在医学诊断和治疗中扮演着越来越重要的角色. 现阶段, 放射性核素在放射性标记与生物分子成像、诊疗一体化、新型放射性探针开发等方面已发挥重要作用, 而它们在研究药物作用机制、理解疾病发生机理和新技术开发领域的作用在近年也受到更多关注. 例如, 利用放射性示踪剂监测药物在体内的分布和代谢过程来评估药代动力学、毒副作用和疗效等, 以用于新药、新疗法的研发与探索. 而放射性核素在化学生物学领域的潜力依然有待深入挖掘, 未来发展基于放射性元素的病原标志物靶向型辐射成像、单细胞辐射组学和基因编辑等技术将为疾病诊疗、生物分子动态解析、细胞功能调控和新型工具的开发等领域助力赋能. 随着人工智能技术的飞速进步, 利用深度学习和人工智能技术将进一步推动放射性核素诊疗的过程简化和诊断准确性及效率提升.3.7 生物医学的元素调控工具研究元素化学生物学的发展为深入理解多种人类重大疾病(如神经退行性疾病、癌症)的分子病理机制提供了重要的理论基础. 目前已报道多种具有元素选择性的高时空分辨探针及可逆金属螯合剂等元素调控工具, 实现了活细胞内元素-蛋白质相互作用的动态监测和靶向干预. 未来, 合理开发以下方面的元素调控工具将对生物医学领域起到更大推动作用: (1) 进一步发展具有亚细胞器定位能力、超高灵敏度及可逆响应的探针以解析细胞内元素-蛋白互作的动态过程; (2) 创制对外界/微环境信号响应的分子开关等工具实现对蛋白质稳态通路的精准时空调控; (3) 深入阐明铜/锌等金属稳态失衡在神经退行等疾病中的具体分子病理机制; (4) 探索靶向细胞内元素代谢相关生物大分子靶标的新策略; (5) 整合金属组学、蛋白质组学等多组学技术, 系统解析元素浓度动态变化与细胞蛋白质稳态之间的全局性调控网络.3.8 现代AI、组学、成像等方法技术开发现代元素化学生物学的研究正在深度融合多组学、人工智能与高分辨成像技术, 推动其向系统化、动态化与精准化方向演进. 多组学方法整合了基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和金属组学等多维数据, 为系统解析化学药物, 特别是金属药物及元素标记分子的作用机制提供了有力支撑. 通过从静态图谱到动态网络的转变, 多组学不仅提升了信号通路解析的深度, 也推动了从终点结果向过程机制的过渡. 元素在生命体系中的分布及动态变化呈现高度的时间和空间特异性. 高时空分辨的原位检测技术为解析元素参与生理与病理过程中的分子机制提供了关键手段, 成为构建元素功能网络、揭示生命过程本质规律的重要工具, 也为精准医学的发展奠定了基础. 此外, 人工智能的引入进一步赋能数据整合与机制建模. 借助AI模型, 可实现对药物靶点与毒性的预测、药物结构的优化, 并通过多组学手段验证其作用通路与代谢过程. AI与多组学的协同, 正推动元素药物研究从分子层面迈向系统层次, 为解析复杂细胞信号网络提供关键支撑. 因此, 集成AI、多组学与高分辨成像的技术体系, 正成为元素化学生物学研究的重要驱动力, 加速实现高分辨率、动态化、智能化的研究目标, 为新型元素药物的发现与精准应用提供战略支撑.总之, 以上技术方法的发展与突破(图4), 不仅为元素化学生物学研究提供了关键支撑, 也为疾病机制研究和药物开发奠定了重要基础, 更将深化我们对元素在生命过程中作用的理解.图 4 元素化学生物学的发展趋势(金属元素部分)4元素化学生物学研究面临的挑战元素化学生物学作为化学与生命科学的桥梁, 不仅深化了人们对生命元素功能的理解, 还为疾病诊疗、生物技术及生命健康提供了创新策略. 尽管元素化学生物学在基础研究和临床应用方面取得了重要进展, 但该领域仍面临诸多关键挑战.(1)解析复杂生物体系中元素的动态互作网络. 元素在生物体系中的复杂动态行为, 具有时空异质性、跨尺度调控、氧化还原敏感性等特点, 传统分析方法难以实时捕捉其精确变化, 需要发展超分辨成像(如X射线荧光纳米断层扫描)与活细胞动态追踪技术, 结合人工智能深度学习模型(如AlphaFold)预测元素-生物分子相互作用网络.(2)设计更精准的元素基生物调控工具. 元素基工具具有精准性与安全性问题, 许多元素基分子具有靶向性不足、代谢不可控性、免疫原性风险等, 需要开发智能响应型载体(如pH/酶激活的Pt药物前体), 并利用生物偶联技术(如抗体-放射性核素偶联物)提高靶向性, 同时建立更严格的元素毒理学评估体系.(3)发展高时空分辨的元素原位检测技术. 目前研究技术方法存在局限性, 如灵敏度与分辨率的平衡、活体分析缺乏特异性探针且深层组织成像受限于信号穿透性等, 需要开发新型生物相容性探针, 发展多模态联用技术.(4)跨学科协作与数据整合的挑战. 需整合化学、生物学、物理学和计算科学, 开发智能化分析平台.元素毒性、代谢调控复杂性及跨尺度研究方法的整合仍是重大挑战. 随着多学科交叉的深入, 元素化学生物学有望在合成生物学、精准医学和生物能源等领域开辟新的研究方向.5拟解决的关键问题化学元素在生命体系和机体健康中起着关键、不可替代的作用, 是各种生物系统的重要组成部分, 目前关于生命中的元素问题还需深入探索. 通过创造性地发展化学生物学技术与方法, 从分子精度, 甚至是原子及化学键层面上, 对生命体系中的元素角色进行精准的识别、阐释、修饰和调控, 可以帮助我们从不同于经典学科的视角理解生命本质, 推进生命科学、生物医药与医疗健康等前沿领域的加速发展.(1)如何绘制生命体系内源元素分子功能的化学生物学图谱? 需揭示内源元素在生命过程调控中的分子机制, 提出可化学干预的分子靶标, 为面向内源元素的生理和病理调节确定新型发展路径.(2)如何高效探测和调节生命体系各类元素的分子行为? 通过发展特异性化学生物学工具揭示关键元素在表观遗传、细胞免疫、神经传导等重要生命过程中的作用机制, 并构建可化学干预的分子手段, 为基于元素的功能调节提供化学生物学解决方案.(3)如何利用外源性元素构建具有鲜明特色的面向疾病诊疗的分子探针和潜在药物分子? 需揭示主族元素、过渡金属元素和稀土元素各自在构建外源性分子工具中所体现出的化学生物学独特性, 为基于元素特征的分子工具明晰未来发展前景.6对元素化学生物学的发展建议开展元素化学生物学研究, 对深入融合化学、生物学、医学、药学、材料学、影像学等学科意义重大. 这不仅能促使各学科相互启迪、协同进步, 还为元素化学生物学自身开辟全新的发展路径. 在此背景下, 凝聚国内相关研究队伍迫在眉睫. 从化学元素的视角切入, 着重探究生命体系中内源和外源元素的化学生物学特性, 全方位揭示各类元素在生物过程中的分子调控机制, 并积极探寻其在疾病诊疗等各方面的应用场景, 为我国化学生物学领域腾飞增添强劲动力. 基于此, 对该领域发展提出以下建议.(1)强化金属元素在细胞关键活动中的研究. 聚焦多细胞通讯以及新型细胞死亡进程中, 主族和过渡金属元素的时空分布规律、动态修饰过程、代谢行为的生物学效应, 实现对其精准调控. 明确这些金属元素在亚细胞水平的分布特征、价态变化及形态特点, 深度剖析它们在参与生物催化、生物矿化、蛋白质修饰与稳态调控、细胞免疫调节等过程中的作用机制和分子路径. 同时, 大力发展分子探针工具, 为该领域研究提供更为精准、高效的技术支撑.(2)深化特征元素对核酸与蛋白质修饰调控研究. 解析细胞微环境中内源金属离子对核酸二级结构(如G-四链体、i-motif等)的调控机制, 以及蛋白翻译后修饰的影响及生物学效应. 积极开发针对内源动态核酸结构、蛋白翻译后修饰变化响应的元素类检测与调控工具, 构建金属修饰与非编码RNA、蛋白修饰酶之间的互作网络图谱. 设计并合成靶向特异核酸结构、蛋白翻译后修饰过程的元素类化学干预分子, 为精准调控生物分子过程、治疗相关疾病奠定坚实基础.(3)大力推进新靶标导向的元素药物研究与诊疗应用. 借助元素所具备的独特氧化态、立体结构、协同模式热力学动力学调控能力以及多靶向等特性, 紧密围绕临床实际需求, 开展元素类药物的设计开发工作, 包括: 抗体偶联等新(多)靶点驱动的新一代铂类药物及其他元素类药物设计, 构建靶向分子库并实现模块化合成, 探索放射性元素在诊疗领域的应用潜力, 引入人工智能技术进行高通量筛选, 以及完善评价模型构建等环节. 通过全链条的研究推进, 加速元素类药物从实验室到临床应用的转化进程, 为疾病治疗提供更多创新手段.(4)持续加大元素化学生物学研究新方法和新技术开发力度. 积极开拓元素多维组学、超分辨成像技术、质谱成像、原位示踪、现代顺磁共振技术、(近似)细胞环境的多维核磁结构解析技术、大数据分析、纳米递送等前沿技术. 这些新方法和新技术的涌现, 将极大提升科研工作者对元素化学生物学现象的观测精度与研究深度, 打破传统研究手段的局限, 为解决该领域的关键科学问题提供全新视角与有力工具, 推动元素化学生物学研究向更高水平迈进.通过上述策略, 有望构建出特色鲜明、内容丰富的化学生物学元素周期表, 助力新理论、新方法、新工具、新技术等方面实现持续突破, 切实攻克生命健康等领域的关键难题, 稳固我国在元素化学生物学国际前沿领域的优势地位, 为人类健康事业贡献中国智慧与力量.【参考文献】[1] Galy B, Conrad M, Muckenthaler M. 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