四嗪修饰的纳米颗粒：可生物正交点击功能化的递送平台

摘要

四嗪（Tetrazine）是一种含氮芳香杂环化合物，在生物正交化学中扮演着关键角色。其与反式环辛烯（TCO）等反应底物之间的逆电子需Diels-Alder（IEDDA）反应快速、高效、无催化剂、无副产物，被广泛应用于蛋白修饰、细胞标记和体内成像等生物医学领域。将四嗪基团引入纳米材料表面，可赋予纳米颗粒以高度特异性、可编程的功能化能力，实现准靶向、控释递送与生物成像等多重功能。本文系统综述了四嗪修饰纳米颗粒的构建方法、材料种类及其在生物医药中的研究进展。

1. 引言

在纳米医学的发展过程中，表面功能化策略被认为是实现靶向、成像、药物装载等多功能协同的关键步骤。传统的偶联反应（如NHS/EDC）常受限于生物体系的复杂性，存在选择性差、副反应多等问题。生物正交点击反应，尤其是四嗪-TCO体系的引入，大提升了反应的选择性、速率与体内应用可能性。

四嗪修饰的纳米颗粒凭借其快速与TCO反应的能力，可用于构建可控修饰的智能递送平台，适用于靶向药物输送、活体成像探针构建、细胞跟踪、可视化治疗等多种场景，成为当前纳米药物载体研究中的热点方向。

2. 四嗪的化学特性与生物正交反应机制

2.1 四嗪结构简介

四嗪类分子（如1,2,4,5-四嗪）为六元含氮杂环，具有较高电子缺陷性，易与富电子双烯体发生反应。常用于生物正交反应的四嗪通常携带可控修饰位点（羧基、氨基、叠氮等），便于偶联至不同载体上。

2.2 IEDDA 反应机制

IEDDA（Inverse Electron Demand Diels–Alder）反应由四嗪（电子受体）与TCO（电子给予体）在无催化、无金属、温和条件下快速发生，为当前快速的生物正交反应之一，反应速率常超过10⁶ M⁻¹·s⁻¹，且生成物稳定、无毒、无副产物，非常适合体内应用。

3. 四嗪修饰纳米颗粒的构建策略

3.1 材料种类

四嗪可修饰多种类型的纳米颗粒，包括但不限于：

聚合物纳米粒子：如PLGA、PEG-PCL、PLA等生物降解性纳米粒；

脂质体/脂质纳米颗粒（LNP）：将四嗪偶联于DSPE-PEG基质上修饰脂质膜；

金属纳米粒子：如金纳米棒（AuNR）、磁性Fe₃O₄纳米粒，可通过表面巯基化接枝四嗪；

硅基纳米粒子：如介孔二氧化硅（MSNs），表面接枝四嗪基团；

量子点、碳点等纳米探针：用于生物标记和成像。

3.2 偶联方法

四嗪常见的接枝方式包括：

氨基偶联：使用四嗪-羧酸与纳米材料表面的氨基发生EDC/NHS酯化反应；

马来酰亚胺-巯基反应：若四嗪携带马来酰亚胺基团，则可与纳米粒子表面的硫醇反应；

叠氮-炔点击化学：四嗪通过叠氮或炔基修饰参与CuAAC反应；

链端聚合引入：在聚合反应中引入末端四嗪基团。

4. 应用实例

4.1 靶向药物递送

四嗪修饰纳米载体可通过与TCO修饰的*体、配体、肽类或核酸探针进行生物正交偶联，实现特异性靶向功能。该策略已被用于构建多种“前靶向”药物递送系统，可显著提高药物在肿瘤或炎症区域的富集效果。

4.2 体内可视化成像

四嗪修饰的纳米颗粒可结合TCO标记的荧光染料（如Cy5-TCO、AF647-TCO）或放射性探针，快速实现组织特异性的活体成像。例如，四嗪修饰的超顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒可与TCO修饰的Gd-DOTA探针反应，用于MRI-荧光双模成像。

4.3 纳米免疫工程

四嗪纳米颗粒可与TCO修饰的单*或Fc片段结合，实现对特定细胞（如T细胞、肿瘤细胞、树突细胞等）的靶向识别。此策略在构建CAR-T辅助递送系统、疫苗递送、肿瘤免疫治疗中展现出潜力。

4.4 多重功能构建平台

通过“四嗪平台”+“TCO模块”策略，科研人员可对同一纳米粒实现多重功能模块（靶向配体、药物、成像探针、pH响应基团等）的快速组合化组装，构建“模块化”纳米平台，提高纳米系统的开发效率和可控性

5. 优势与挑战

优势：

超快速反应：无需催化剂即可高效偶联；

生理条件兼容性强：水相、37℃、pH中性均可进行；

选择性高：对天然生物分子不反应，背景低；

模块化构建：便于快速构建多功能平台。

挑战：

四嗪自身稳定性有限，对光、氧较敏感，需避光储存；

材料本身可能影响反应效率，需优化表面密度与空间位阻；

TCO衍生物合成成本较高，大规模制备有挑战。

6. 展望

随着生物正交技术的发展，四嗪修饰的纳米颗粒将在准医疗、智能诊疗、生物材料工程与细胞治疗等方面发挥更加重要的作用。未来，通过引入可响应的四嗪衍生物（如还原响应、酸敏四嗪）、开发更稳定的结构设计，以及结合人工智能辅助的结构筛选与动力学优化，四嗪-纳米技术有望推动下一代高通量、高智能、高效率的诊疗平台构建。

结语

四嗪修饰的纳米颗粒是一种具有高度特异性、反应快速且兼容性良好的多功能平台技术。它不仅为基础科学提供了准的功能化工具，也为肿瘤治疗、成像诊断、疫苗递送等临床应用打开了新的路径，是当代纳米医学领域不可忽视的重要研究方向。

厂家:西安齐岳生物科技有限公司

用途:科研

温馨提醒:仅供科研，不能用于人体实验!