光交聯技術的生物應用研究進展

光交聯技術的生物應用研究進展

摘要：光交聯反應作為一種快速
、簡單和時空可控的交聯工具廣泛地應用於化學
、生物
、醫學和材料等不同研究領域。本文詳細介紹了常用的小分子光交聯基團的結構
、fenleijifanyingjili，zhongdianzongshuleguangjiaolianjishuzaishengwuyixuelingyudeyingyongyanjiu
，bingduiqiyingyongqianjingjinxinglezhanwang。muqiandaduoguangjiaolianjituanjinduiziwaihekejianguangjuyouminganxing，ziwaihekejian光穿透力弱、組織吸收強和散射等問題嚴重限製了該技術在生物體內的應用研究。因此

，進一步研究光交聯技術在生物體係的應用和開發長波長光（如近紅外或遠紅外光）介導的新交聯技術對於藥物研發和疾病診療具有重要的科學意義。

引 言

光(guang)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)又(you)稱(cheng)光(guang)化(hua)作(zuo)用(yong)，一(yi)般(ban)是(shi)指(zhi)物(wu)質(zhi)在(zai)可(ke)見(jian)光(guang)或(huo)紫(zi)外(wai)線(xian)照(zhao)射(she)下(xia)，物(wu)質(zhi)分(fen)子(zi)吸(xi)收(shou)光(guang)子(zi)後(hou)所(suo)引(yin)發(fa)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)。目(mu)前(qian)能(neng)激(ji)活(huo)物(wu)質(zhi)分(fen)子(zi)的(de)光(guang)源(yuan)種(zhong)類(lei)繁(fan)多(duo)
，如(ru)紅(hong)外(wai)光(guang)、可見光、紫外光、激光等。紫外光一般對光化學反應為有效；紅外光由於能量低，隻能引起分子化學鍵的振動擾動，很難引發化學反應的發生；而(er)可(ke)見(jian)光(guang)常(chang)常(chang)被(bei)用(yong)作(zuo)光(guang)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)的(de)引(yin)發(fa)劑(ji)，通(tong)常(chang)是(shi)以(yi)光(guang)敏(min)劑(ji)作(zuo)為(wei)媒(mei)介(jie)
，間(jian)接(jie)地(di)將(jiang)光(guang)能(neng)轉(zhuan)移(yi)到(dao)一(yi)些(xie)可(ke)見(jian)光(guang)不(bu)敏(min)感(gan)的(de)反(fan)應(ying)中(zhong)去(qu)，進(jin)而(er)引(yin)起(qi)光(guang)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)的(de)發(fa)生(sheng)。總(zong)之(zhi)
，光(guang)介(jie)導(dao)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)具(ju)有(you)操(cao)作(zuo)簡(jian)單(dan)、反應速度快、副產物少等優點，符合綠色化學的要求，受到光化學研究者們的廣泛青睞。上海峰誌儀器有限公司提供253nm
、302nm、365nm、395nm紫外交聯儀以及450nm
、530nm、660nm可見光交聯儀。

光交聯是光化學反應中目前應用為廣泛的一種反應。光交聯反應（也稱作光親和標記
，photoaffinitylabeling,pal）是(shi)指(zhi)將(jiang)合(he)成(cheng)的(de)光(guang)敏(min)小(xiao)分(fen)子(zi)化(hua)合(he)物(wu)作(zuo)為(wei)工(gong)具(ju)探(tan)針(zhen)，在(zai)特(te)定(ding)波(bo)長(chang)的(de)光(guang)照(zhao)射(she)下(xia)
，產(chan)生(sheng)高(gao)活(huo)性(xing)的(de)中(zhong)間(jian)體(ti)，與(yu)其(qi)受(shou)體(ti)活(huo)性(xing)部(bu)位(wei)形(xing)成(cheng)特(te)異(yi)性(xing)的(de)不(bu)可(ke)逆(ni)共(gong)價(jia)鍵(jian)結(jie)合(he)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)。早(zao)在(zai)1962年，westheimer等人首先提出光親和標記技術，至今該技術已取得令人矚目的發展。由於光交聯反應具有速度快、條件簡單、適合於原位反應等優點，早主要應用於蛋白質的化學修飾和藥物靶標蛋白甄別。之後
，光交聯反應逐漸被應用於研究蛋白與小分子、生物大分子、蛋dan白bai或huo受shou體ti間jian的de相xiang互hu作zuo用yong。目mu前qian該gai技ji術shu已yi經jing成cheng為wei生sheng物wu化hua學xue家jia和he分fen子zi生sheng物wu學xue家jia研yan究jiu生sheng物wu體ti係xi中zhong空kong間jian相xiang鄰lin組zu分fen及ji生sheng物wu大da分fen子zi間jian相xiang互hu作zuo用yong的de一yi個ge重zhong要yao工gong具ju。近jin年nian來lai，隨sui著zhe光guang學xue技ji術shu與yu生sheng物wu醫yi學xue的de不bu斷duan發fa展zhan，光guang交jiao聯lian技ji術shu被bei廣guang泛fan地di應ying用yong於yu化hua學xue
、生物、材料和醫學等領域。

２ 光交聯反應基團及其作用機製

常見的光交聯基團根據其在光照射下生成活性中間體的不同，大致分為四類：氮賓（nitrenes）類、卡賓（carbenes）類、碳正離子（carbocations）和自由基（radicals）類（如圖 １）。目前應用為廣泛的光交聯基團有苯甲酮
、疊氮苯和3三氟甲基3苯基二吖丙啶（３ trifluoromethyl 3 phenyldiaz irine TFMD）。通常理想的光交聯基團應具備以下幾個特征：（１）具有一定的化學穩定性
，耐受普通的化學反應；（２）在自然光中具有合理的穩定性；（３）黑 暗 中 穩 定，在 不 對 樣 品 造 成 損 傷（＞３００ｎｍ）的紫外光照下很容易光解；（４）光解後的活性中間體既能與親核的 XH（Ｘ＝Ｎ，Ｓ
，Ｏ）官能團反應，也能與 ＣＨ官能團反應；（５）光解中間體與受體作用得到的產物應該比較穩定，能夠耐受分離、純化和分析等操作.

２．１ 氮賓（nitrnenes）類

芳香疊氮化合物是常見的產生氮賓（nitrnenes）類前體的化合物，也是較常用的光交聯基團。它的光化學反應機理為：分子在外來光照射

下(xia)，芳(fang)環(huan)上(shang)的(de)疊(die)氮(dan)基(ji)團(tuan)會(hui)首(shou)先(xian)形(xing)成(cheng)單(dan)線(xian)激(ji)發(fa)態(tai)
，然(ran)後(hou)釋(shi)放(fang)出(chu)氮(dan)氣(qi)生(sheng)成(cheng)氮(dan)賓(bin)。氮(dan)賓(bin)可(ke)以(yi)是(shi)單(dan)線(xian)態(tai)的(de)中(zhong)間(jian)體(ti)，也(ye)可(ke)以(yi)經(jing)係(xi)間(jian)竄(cuan)越(yue)形(xing)成(cheng)三(san)線(xian)態(tai)中(zhong)間(jian)體(ti)。單(dan)線(xian)態(tai)氮(dan)賓(bin)可(ke)以(yi)對(dui)CH鍵或者XH鍵（Ｘ ＝Ｏ，Ｎ，Ｓ）進行插入反應形成共價鍵結合的產物，也可以重排為 １氮雜２４６環庚四烯（didehydrozaepine）或(huo)者(zhe)通(tong)過(guo)係(xi)間(jian)竄(cuan)越(yue)形(xing)成(cheng)三(san)線(xian)態(tai)中(zhong)間(jian)體(ti)。三(san)線(xian)態(tai)中(zhong)間(jian)體(ti)以(yi)自(zi)由(you)基(ji)形(xing)式(shi)吸(xi)收(shou)質(zhi)子(zi)氫(qing)生(sheng)成(cheng)氨(an)基(ji)化(hua)合(he)物(wu)或(huo)形(xing)成(cheng)偶(ou)聯(lian)產(chan)物(wu)。因(yin)此(ci)
，單(dan)線(xian)態(tai)氮(dan)賓(bin)具(ju)有(you)親(qin)電(dian)子(zi)活(huo)性(xing)，是(shi)發(fa)揮(hui)交(jiao)聯(lian)作(zuo)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)形(xing)式(shi)。但(dan)是(shi)
，單(dan)線(xian)態(tai)氮(dan)賓(bin)隻(zhi)能(neng)夠(gou)穩(wen)定(ding)存(cun)在(zai)約(yue)100us，隨後將迅速重排生成比較穩定的烯亞胺，這種烯亞胺分子的反應活性較弱，隻能與親核性官能團反應（如 ＯＨ、ＮＨ
、ＳＨ等）。如果活性位點部分沒有親核性官能團，那就可能遷移到離活性位點較遠區域交聯，產生非特異性交聯。

２．２ 卡賓（carbenees）類

卡賓類分為重氮化合物和雙吖丙啶類化合物。重氮化合物與疊氮化合物類似，在紫外光的照射下，重氮基團釋放一個 Ｎ２分子，形成卡賓中間體
，隨後進攻鄰近的 Ｃ－Ｈ鍵
，生成一個新的共價鍵。該卡賓中間體也會進行 Ｗｏｌｆｆ重zhong排pai，形xing成cheng烯xi酮tong
，烯xi酮tong再zai與yu親qin核he試shi劑ji反fan應ying，產chan生sheng非fei特te異yi性xing交jiao聯lian。雙shuang吖a丙bing啶ding基ji團tuan在zai黑hei暗an中zhong具ju有you良liang好hao的de穩wen定ding性xing
，同tong時shi具ju有you較jiao好hao的de光guang交jiao聯lian活huo性xing。其qi反fan應ying機ji理li：在３５０ｎｍ或 ３６５ｎｍ紫外光的照射下
，雙吖丙啶基團首先發生共價鍵斷裂
，釋放出一分子 Ｎ２，隨後鍵電子重排，形成活性的卡賓中間體，插入到鄰近的 Ｃ－Ｈ鍵或者其他雜原子與 Ｈ的共價鍵中，生成新的共價鍵。這裏形成的卡賓中間體半衰期一般在 ｎｓ級，交聯反應非常迅速。

２．３ 碳正離子（carbocations）

除了氮賓類和卡賓類基團外，碳正離子也是具有高活性的光交聯基團［１６］。芳香重氮鹽化合物就是常用的碳正離子前體。首先，芳香重氮鹽化合物在紫外光照射下，釋放 Ｎ２形成高活性的芳香正離子中間體

，隨後插入到鄰近的 ＣＨ鍵或者其他雜原子與 Ｈdegongjiajianzhong，xingchengxindegongjiajian。youyufangxiangzhongdanyanhuahewushangzhongdandexidianzixingshiqizaitongchangtiaojianxiafeichangbuwending，yixieyanjiuzhongtongguozaifangxianghuanshangyinrugongdianzijituanlaigaishanhuahewudewendingxing［１７］。

２．４ 自由基（radicals）類

自由基是光交聯反應中另一類非常重要的高活性中間體。苯甲酮類化合物是生成自由基的一類常用的、高效的光交聯反應化合物。在紫外光的照射下
，苯甲酮基團能夠產生活性三線態雙自由基

，自由基分子不發生重排反應，會與周圍的CH鍵發生反應。如果其周圍沒有適當的CH鍵存在，雙自由基能夠穩定存在１２０μｓ，後回複到初始狀態，等待再次被激活［１８］。此外，苯甲酮產生的活性三線態雙自由基在質子性溶劑中穩，幾乎不與水反應，其標記效率較高，對於光交聯標記實驗非常有用.

４ 結束語

光交聯技術由於其簡便
、快捷
、高效和時空可控等優勢目前被廣泛地應用於藥物篩選、靶ba標biao蛋dan白bai甄zhen別bie和he生sheng物wu大da分fen子zi間jian作zuo用yong等deng研yan究jiu。隨sui著zhe納na米mi材cai料liao和he技ji術shu的de飛fei速su發fa展zhan，光guang交jiao聯lian技ji術shu近jin年nian來lai從cong分fen子zi生sheng物wu學xue領ling域yu逐zhu漸jian拓tuo展zhan到dao了le納na米mi材cai料liao和he醫yi學xue等deng領ling域yu。然ran而er，由you於yu目mu前qian光guang交jiao聯lian反fan應ying源yuan主zhu要yao以yi紫zi外wai光guang為wei主zhu，其qi穿chuan透tou力li淺qian，組zu織zhi損sun害hai等deng問wen題ti一yi定ding程cheng度du上shang限xian製zhi了le該gai技ji術shu在zai生sheng物wu醫yi學xue領ling域yu的de深shen入ru應ying用yong。如ru何he克ke服fu前qian述shu問wen題ti，使shi用yong近jin紅hong外wai或huo遠yuan紅hong外wai觸chu發fa交jiao聯lian反fan應ying將jiang是shi一yi種zhong新xin的de思si路lu，但dan由you於yu目mu前qian對dui近jin紅hong外wai或huo遠yuan紅hong外wai光guang敏min感gan的de化hua學xue交jiao聯lian反fan應ying報bao道dao較jiao少shao，發fa掘jue該gai類lei化hua學xue反fan應ying對dui於yu合he成cheng化hua學xue家jia將jiang是shi一yi大da挑tiao戰zhan。總zong之zhi，相xiang信xin不bu久jiu的de將jiang來lai光guang交jiao聯lian技ji術shu一yi定ding會hui在zai化hua學xue、生物
、材料和醫學等各個領域有著更為廣泛的應用前景。

文獻全文下載：

Advances in biological application of photo-crosslinking technique.pdf

文獻地址：光交聯技術的生物應用研究進展 (chineseoptics.net.cn)

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