2022年诺贝尔化学奖简介

瑞典皇家科学院北京时间10月5日下午5点45分重磅宣布，将2022年诺贝尔化学奖授予美国科学家卡罗琳·露丝·贝尔托齐(Carolyn R. Bertozzi)、卡尔·巴里·沙普利斯(K. Barry Sharpless)和丹麦科学家莫滕·梅尔达尔(Morten Meldal)，以表彰他们在“点击化学和生物正交化学”(click chemistry & bioorthogonal chemistry)的发展作出的突出贡献。

到目前为止，Bertozzi是诺贝尔化学奖史上第八位女性获奖者，Sharpless是第五位“梅开二度”的诺奖得主——他于2001年凭借“不对称氧化反应”获得了诺贝尔化学奖。

2022 年诺贝尔化学奖关乎于寻找新的理想的化学，让简单性和功能性优先。他们的研究将给人类带来巨大的获益。

自18世纪现代化学诞生以来，许多化学家都将自然作为研究的模仿对象。地球上生命本身就是化学复杂性的至高能力的最好证明。在植物、微生物和动物中发现的惊人的分子结构，促使研究人员尝试通过人工合成来构建相同的分子。在药物开发中，模仿天然分子通常也是一个重要的部分，因为开发许多药物的灵感就来自天然的物质。

数个世纪以来积累的化学知识业已证明利用开发出的复杂工具，化学家现在可以在实验室中创造出各种极其惊人的分子。化学家通常可以制造少量的该物质，用于体外测试和临床试验。而后，如果后期需要工业生产，则需要达到更高的生产效率。然而，一个具有挑战性的问题是，复杂的分子必须通过许多步骤才能构建出来，每个步骤都会产生不需要的副产品 —— 有时多，有时少。为了得到需要的化合物，在后续的反应工艺之前，这些副产品必须被清除。而对于那些合成难度大的化学结构，原料的损失可能极大，反应结束后产物几乎为零。化学家经常能实现具有挑战性的目标，但采用的路线可能既耗时又昂贵。

核酸和蛋白质是自然界中常见的生物大分子，复杂的化学结构和丰富的生物功能由小分子单元借助碳-杂原子键(C-X-C)的链接而实现。Sharpless受此启发，提出了点击化学的理念，该理念与“万物之始，化简之道，化繁为简”的哲学思想有相通之处，通过最简单有效的方法将两个分子实体偶联在了一起。目前已被广泛用于药物开发、绘制DNA图谱和制造更匹配目的材料。

点击化学的代名词——铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应

点击化学(click chemistry )，也被称为“咔哒化学”“链接化学”“速配接合组合式化学”，是由 Sharpless在2001年引入的一个合成概念，主旨是通过小单元的拼接，快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。它尤其强调开辟以碳-杂原子键(C-X-C)合成为基础的组合化学新方法。点击化学的代表反应为铜催化的“叠氮化物-炔烃环加成”反应(copper catalyzed azide-alkyne cycloaddition)(图1)。

Sharpless认为，鉴于碳原子之间形成化学键是化学合成的一大障碍，来自不同分子的碳原子往往缺乏成键的化学动力，而人工激活反应的过程会导致许多不必要的副产物。他提出一种更容易掌控的路径，即利用氮原子或氧原子作为“桥梁”，将具有完整碳骨架的小型分子拼接起来。

随后，Sharpless与本年度另一位获奖者Meldal各自独立报告了现在化学“皇冠上的宝石”：铜催化“叠氮化物-炔烃环加成”反应。这是一种精致而高效的化学反应。Meldal在用铜离子催化炔烃与酰卤的反应时，发现炔烃与中间产物叠氮化物反应生成环状结构的三唑。Meldal意识到了叠氮化物和炔烃发生反应的价值，他于2002年在一篇学术文章中指出，该反应可用于将许多不同分子结合在一起。这一年，Sharpless也发表了用铜催化使叠氮化物和炔烃发生反应的论文，并将其描述为“完美的”点击反应。即便点击化学不能提供天然分子的精确副本，也有可能找到具有相同功能的分子。组合简单的化学模块的方法可以创造出几乎无穷无尽的分子种类，因此，他们相信点击化学可以产生与天然药物具有类似功能的新型药物，并且可以实现工业规模生产。

此外，他认为用简单的反应，也就是那些驱动力强烈、使分子结合在一起的反应，那么就能避免许多副反应，从而使材料的损失降到最小。

图1 铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应示意图(来源：诺贝尔奖官网)

点击化学和生物正交化学的巨大潜力

自Sharpless、 Meldal等人报道了“由铜离子催化的叠氮基团和末端炔基之间发生的点击化学反应”后，许多实验室开始使用这个高效反应进行生物分子标记和研究。但是铜离子本身的毒性，导致点击化学在细胞和活体内的应用受到很大限制。

早在20 世纪 90 年代，由于生物化学和分子生物学的迅猛发展，世界各地的研究人员开始绘制基因和蛋白质图谱，试图了解细胞如何工作。但问题在于，当时的新的分子生物学工具不能用来研究它们。

Bertozzi是研究这一难题的科学家之一，她在解析一种聚糖(聚糖通常位于蛋白质和细胞的表面，并且在大量的生物化学过程中扮演者重要的角色。)如何将免疫细胞吸引到淋巴结时遇到困难，最终从一份有关如何让细胞产生唾液酸的报告中找到灵感。

唾液酸是构成聚糖的糖类之一。Bertozzi想到，能否让细胞生成经过化学修饰的唾液酸。让修饰的唾液酸能够参与构成不同的聚糖，用这种化学修饰定位聚糖。例如，可以将荧光分子连接到经过化学修饰的部分，荧光就能显示唾液酸参与构成的聚糖在细胞中所处位置。她通过在聚糖分子上附加一个荧光分子，然后通过荧光揭示聚糖在细胞中的“隐藏”位置。但是，她遇到的一个挑战是：引入的化学基团不能与细胞中的任何其他物质发生反应，即所采取处置不会干扰细胞的正常化学反应。

为此，Bertozzi专门创造了一个术语：引入到细胞中的化学基团和荧光分子之间的反应必须是“生物正交”反应(bioorthogonal reaction)。所谓“正交”其实是有互不干涉的意思。“生物正交化学反应是指能够在生物体系中进行、且不会与天然生物化学过程相互干扰的一类化学反应(汪欣,张贤睿,黄宗煜,樊新元,陈鹏.化学学报,2021,79:406-413.)”。

2000 年，机遇恰逢其时，Bertozzi找到一种可用作化学修饰的最佳物质，即叠氮化物(azide)。她以巧妙的方式修改了施陶丁格反应(Staudinger reaction)，成功将荧光分子与引入聚糖中的叠氮化物连接起来。叠氮基团不会影响细胞，甚至也可以被引入到活体生物中。就在当时，“铜催化的叠氮化物-炔烃环加成”反应已开始为人所知。Bertozzi认识到，有铜离子存在情况下，她用作化学修饰的叠氮化物能快速连接到炔烃上。但铜对生物机体是有毒的。

随后，关键的突破是，她发现早有研究表明，如果将炔烃连接到环状化学结构上，叠氮化物和炔烃可以在没有铜的帮助下，以“几乎爆炸的方式”反应。因为张力产生了许多的能量，使得反应平稳进行。当她把该系统应用在细胞实验时，结果很好。2004年，她发表了非铜催化的点击反应(copper-free click reaction)论文，将该反应命名为“应变促进的叠氮化物-炔烃环加成”(strain-promoted azide-alkyne cycloaddition)反应，并证明它可以用于追踪聚糖(J Am Chem Soc, 2004,126：15046-15047.)。

在Bertozzi和她的团队的努力下，点击化学进入了一个新的层面，实现了无铜化，使其能够在生物体中进行高选择性化学反应，并安全应用。这是一个里程碑，也是一些更重大研究的起点(图2)。同时，她和许多其他研究人员还利用了这些点击反应，来探寻生物分子在细胞中相互作用的具体形式，以及了解疾病过程，并促进开发精准的抗癌疗法。

图2 生物正交化学追踪聚糖的原理示意图(来源：诺贝尔奖官网)

生物正交化学反应的出现，为科学家对生命进程的原位研究带来了革命性的技术，已经成为化学生物学这一新兴交叉领域的核心方向之一。今年的诺奖既回归了化学反应本身，又打通了生物与化学之间的界限。这是对整个化学生物学领域的肯定。这极大的促进了化学生物学的发展。

应用前景——从实验室到临床治疗

点击化学概念提出到现在不过20余年，生物正交化学就已经经历了从简单的活细胞体系向更为复杂的生物活体升级的一系列发展历程，点击化学和生物正交反应在生命科学研究、医药研发、临床诊疗等多个领域均已展示出了广阔的应用前景。

1.开发新型抗癌药物

Bertozzi实验室利用生物正交反应来追踪生物体内的分子间相互作用，以及它们对疾病的作用，并对细胞、组织、器官进行标记和成像。他们还发现，肿瘤细胞表面的聚糖可以保护肿瘤细胞免受免疫系统的杀伤作用。基于这些发现，他们开发了一种全新的抗癌药物类型，将分解聚糖的唾液酸酶与肿瘤特异性抗体结合，增强癌症治疗效果。

于是Bertozzi于2015年创立了一家名为Palleon Pharmaceuticals的生物技术公司，致力于开发糖介导的免疫调节治疗肿瘤和炎性反应疾病，例如将唾液酸酶与 PD-L1 或 HER2 抗体形成融合蛋白，实现双管齐下的抗癌效果。其中靶向肿瘤细胞和免疫细胞上的免疫抑制性唾液聚糖的双功能唾液酸酶融合蛋白药物 E-602 已处于在晚期癌症患者身上进行1/2期临床研究阶段。

2.“前药”策略——将耐受剂量提高

2020 年 10 月，总部位于美国加州的生物技术公司 Shasqi 启动了生物正交化学在人类身上的首次使用，开始了阿霉素“前药”的 1/2 期临床试验，该“前药”利用了 Fox 教授开发并由 Robillard 采用的四嗪-TCO 生物正交化学成果。该治疗基于的原理是将载有四嗪分子的水凝胶预先注射至肿瘤部位，然后再输液注入阿霉素“前药”。只有两种成分在肿瘤部位相遇时，药物活性分子才会被释放。阿霉素常用于多种癌症的治疗，但往往会受到毒副作用的限制。在小鼠试验中，这种前药策略将耐受剂量提高了近 6 倍，存活率提高了63%。虽然迄今这一临床试验尚未完成，但该公司已经在筹备基于抗体的方法，以便能将四嗪分子输送到注射无法到达的肿瘤中。

目前，我国研究跟国际是处于并行水平，同时我国也发展了一些新型反应。并首先提出了一部分新概念，这些独特的工作具有一定的引领性。例如，传统的生物正交反应主要是把两个分子对接在一起的“连接”反应，而国内做了一类“剪切”反应，即在生物正交的条件下把一个分子从中间切开，构建成一分为二两个分子。它的一个重要的应用前景，就是让一些药物在癌细胞中进行原位释放。在到达癌细胞之前，药物是被锁住的，没有毒性；而需要释放的时候，就把它剪开，对癌细胞产生特异的毒性。例如，北京大学的陈鹏教授团队开发了一种计算工具来识别活性位点内部或附近的合适的赖氨酸或酪氨酸残基，这些残基会抑制蛋白质的活性，直至它们被“脱笼”为止。在 2019 年，该团队利用这种化学手段阻断了炭疽毒素中的一个关键催化残留物。在肿瘤细胞内，可以使用紫外线选择性地激活(可致细胞程序性死亡的)蛋白质。目前，陈鹏教授的团队正在研究其他的触发因素。

无疑，点击化学和生物正交化学正在走近大众视野，化学的“功能主义”新时代已经到来。

编译：王 欣(中国医学科学院基础医学研究所)

审校：章静波(中国医学科学院基础医学研究所)

编者按：人工智能越来越广泛地渗透到各研究与应用领域已成科技发展的一个重要趋势。切实有效地把人工智能引入医学研究与临床应用将为实现智慧医学(Intelligent Medicine；Wisdom Medicine)建设作出贡献。有鉴于此，本刊特邀请相关方面的专家就人工智能在肿瘤、心血管疾病和糖尿病等主要医学领域中的应用进展进行了介绍并以专题综述形式刊出，以飨读者。