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來源：互聯網

生物正交化學(bioorthogonal 化學)的概念由卡羅琳·貝爾托西（ Bertozzi）于2003年正式提出，指能夠在活體細胞內進行的化學反應，它們能夠在生物體內的生理環境中發生，與其中的各種反應互不干擾，不會受到其中各種生物分子的影響，并且也不會對生物體或目標生物分子造成損害。

生物正交化學具有高效、特異及無損活體的特征。該反應要求參與反應的官能團組合具有專一的選擇性，需與生物體系內本身存在的各種官能團嚴格正交，不發生任何反應。常見反應類型主要有：施陶丁格反應、銅催化的疊氮化物炔烴環加成反應以及無銅催化的SPAAC反應。

生物正交化學在熒光成像、藥物開發及藥物傳遞、活體標記與示蹤中等領域有一定應用。如運用熒光成像探針實現對細胞及動物體內的生物大分子的動態、可視化觀察，為疾病的診斷與治療提供了有力的方法。在活細胞中，蛋白質、糖類和脂質都可以被生物正交基團修飾。

定義

生物正交化學的概念由卡羅琳·貝爾托西于2003年正式提出，生物正交反應是一類能夠在生物體環境系中尤其是在活體動物內進行、且不與周圍其它生物化學過程相互干擾的化學反應。即在兩個分子上進行的化學修飾都不影響其各自在生物體內的代謝，也不和其他分子結合。生物正交化學屬于一類具有特殊要求的點擊化學，即可以成功應用于生物活性體系內的點擊化學反應。

反應特征及標準

反應特征

生物正交化學具有高效、特異、無損活體的特征：生物正交化學即使在復雜的生理條件下也具有優良的選擇性，反應過程簡單快速并且不會受體內其他成分的影響，不會產生毒副產物。

反應標準

生物正交化學要求參與反應的官能團組合具有專一的選擇性，需與生物體系內本身存在的各種官能團嚴格正交，不發生任何反應；此外，生物正交反應體系應該簡單高效，應能在生理條件下，使用極低的反應底物濃度時快速形成穩定的化學鍵接結構。具體標準如下：

常見反應類型

生物正交化學常見反應類型主要有：施陶丁格反應、銅催化的疊氮化物炔烴環加成反應以及無銅催化的SPAAC反應。

施陶丁格反應

施陶丁格反應是三芳基膦和有機疊氮化物之間發生的一種化學反應。經典的施陶丁格會產生不穩定的氮雜葉立德，其很容易就會發生水解。在新的施陶丁格反應中，卡羅琳·貝爾托西將甲基引入到三芳基膦分子中，通過分子內環化反應對氮雜葉立德進行捕獲。由此生成的酰胺鍵使兩種起始原料穩定地連接在一起，實現對細胞表面糖分子的選擇性標記。但由于施陶丁格反應的速度太慢，無法實現成像。施陶丁格反應的緩慢速度導致必須注射大量的試劑來驅動反應進行，但這會導致未與目標分子結合的探針基團也會發光。

銅催化的疊氮化物-炔烴環加成反應

被稱作“點擊”化學的一價銅離子催化的疊氮-炔基環加成反應(CuAAC)是發展最早、應用最廣的生物正交偶聯反應之一。該反應所涉及的兩個官能團體積小，因此兩個分子的結合可能更為容易。對于需要標記的生物分子而言，其自然的生化過程也不會受到干擾。但這種方法也無法被立即應用于活體動物的成像，并且CuAAC反應會產生活性氧自由基進而阻礙了它在細胞、組織以及活體上的應用，同時產生的“活性氧”物種的濃度對細胞有害。研究人員發現如果加入一些配體（如TBTA和BTTES配體等），可以降低一價銅的毒性。

點擊化學反應在原則上應具有高選擇性、高產率和廣泛的底物適用范圍。雖然該點擊化學反應的最初設計用途是有機合成，但如果點擊反應所涉及到的官能團完全不會存在于所研究生物的細胞中（也就是所謂的正交），那么該點擊化學反應會非常可能適合于這樣的生物學應用。對于哺乳動物，疊氮化物和炔烴就屬于這一類官能團。

無銅催化的SPAAC反應

高反應活性的環狀炔烴被用于無銅催化的疊氮?炔環加成反應，即SPAAC反應。該類生物正交反應利用了環狀炔烴本身的高環張力，無需銅催化劑的參與即可發生具有化學區域選擇性的點擊反應。線性炔烴中其Ｃ-Ｃ≡Ｃ的鍵夾角為180°，但環辛炔的環狀結構將其Ｃ-Ｃ≡Ｃ的鍵夾角扭曲至了160°（環辛炔是能被分離出的分子內張力最大的炔烴），因此其能級更接近于反應中的過渡態。研究人員為了提高其反應速率，在環辛炔中添加了取代基。該反應實現了生物活體中的生物正交成像。在斑馬魚成像實驗中，可以看到聚糖在細胞表面被標記，然后通過內吞作用被內化并被運輸至細胞中的不同細胞器中。

其他反應

四連接反應是最快速的生物正交反應。四嗪與反式，反式－己二烯二酸環辛烯分子間的連接反應不怕水，而且速度極快。哺乳動物的細胞中是天然不存在著兩種官能團的，表明其具有生物正交的應用潛力。

環辛炔和硝酮之間的環加成，即所謂的應變促進的炔-硝酮環加成 (SPANC)。環硝酮與聯芳基氮雜-的應變促進環加成環辛炔酮(BARAC) 以高達47.3 M-1 s-1的速率常數進行，這相當于相對于BARAC的反應速率提高了47倍。芐基疊氮化物菌株增強了14倍炔烴硝酮環加成(SPANC)。這種生物正交反應主要用于體外生物共軛。

在光誘導下，溫和的四唑-烯環加成促進制備蛋白質納米載體（PNC），同時保留抗腫瘤和抗病毒藥物瑞西莫德（R848）的生物活性。

“雙取代炔丙基/銅試劑”這一新型生物正交剪切反應, 結合非天然氨基酸定點插入技術實現了細胞膜表面受體-配體相互作用的

原位調控。

通過構建二芳基取代的悉尼酮，利用紫外光照射加速1,3-偶極中間體的生成，大大提高了中間體的活性，并進一步和烯烴發生

[3＋2]環加成反應。1,3-偶極環加成的生物正交體系，實現了活細胞中不同多肽以及蛋白質的偶聯標記。

苯乙烯酮-二苯并[a]芘環辛炔和降冰片烯-四嗪環的生物正交反應可用于同時對兩種蛋白質進行高選擇性熒光標記。

應用

活體成像是生物正交化學生物正交化學應用最多的領域，其次是藥物開發和藥物遞送等。

聚糖成像上的應用

生物正交化學是了解聚糖結構、定位和生物功能的重要試驗方法。糖代謝前體包括許多用于生物正交反應的化合物，如疊氮化物、末端炔烴和高張力炔烴。可借助適當的生物正交搭檔化合物來觀察聚糖，例如疊氮化物可以與含磷酯或硫代酸酯的化合物進行施陶丁格反應或無痕施陶丁格連接反應、末端炔烴或高張力炔烴則可以分別參與CuAAC或SPAAC反應。

活體標記與示蹤中的應用

科學家們發展了基于代謝工程的生物正交化學修飾策略，該策略利用生物自身的生物合成和代謝機制，將獨特的功能基團(生物正交化學功能基團）整合到目標生物分子中，從而實現在復雜的生物體內對目標分子的標記和研究。

在活細胞中，蛋白質、糖類和脂質都可以被生物正交基團修飾。通過化學合成的方法將生物正交基團連接到代謝類似物上，利用生物的代謝合成過程將生物正交基團引入細胞，隨后用配對基團修飾的反應探針連接，可以實現對目標生物分子的標記或成像，進而分析細胞或目標生物分子的定位和重要功能。

利用代謝工程和生物正交反應，可以實現對病原菌的活體示蹤，有利于研究其致病機制。通過代謝工程和生物正交化學對細菌多糖進行標記，能夠可視化地研究細菌的體內侵襲行為。由于病毒的蛋白質和核酸等分子均可被標記，將代謝工程與生物正交化學結合，可實現對病毒的無損代謝修飾，最終實現對病毒的實時跟蹤或標記。

靶向傳遞中的應用

代謝工程可以在包括腫瘤細胞在內的各種細胞表面，人工引入生物正交功能基團作為化學受體，并且不受限于細胞的表型，這些人工化學受體可大量表達，用于生物正交標記、靶向識別和藥物遞送。生物正交化學反應已被應用于成像劑和抗腫瘤藥物的組織靶向遞送，具有很好的體內示蹤和腫瘤靶向效果。生物正交化學反應還可用于免疫刺激物的傳遞，增強免疫治療抗腫瘤的效果。

代謝標記技術能夠將化學功能基團修飾到細菌等病原體的表面，基于代謝工程的生物正交化學可作為改善抗菌效果的有效措施。Mao等利用代謝標記和生物正交化學實現了對細菌的體內檢測和治療。

熒光成像

熒光成像是一種融合多門現代學科的顯像方法，其運用熒光成像探針實現對細胞及動物體內的生物大分子的動態、可視化觀察，為疾病的診斷與治療提供了有力的方法。理想的熒光生色團和細胞環境友好的生物正交反應是構建性能優良的活細胞熒光成像探針的兩大因素。有機小分子發色團因其結構容易修飾，因此應用最為廣泛．通過修飾，基于香豆素、熒光素、羅丹明、BODIPY和箐染料已經發展出了一系列的熒光發色團，其大多水溶性和生物兼容性較好，波長和性能通過結構修飾可調，已經被廣泛發展成各種類型的熒光探針并應用到對各種生物分子的成像之中。