5-氨基乙酰丙酸的生物素标记：合成、性质与应用

1. 引言

5-氨基乙酰丙酸（5-Aminolevulinic Acid, ALA）是一种天然存在的非蛋白质氨基酸，是卟啉类化合物生物合成途径的前体物质。在医学上，ALA 广泛应用于光动力治疗（Photodynamic Therapy, PDT）和光动力诊断（Photodynamic Diagnosis, PDD），因为其进入细胞后可代谢生成原卟啉 IX（Protoporphyrin IX, PpIX），在特定波长光照下产生荧光并产生活性氧杀伤病变组织。

然而，ALA 在体内分布缺乏靶向性，容易被非靶组织摄取，且在血液中半衰期较短，影响治疗效果。将 ALA 与生物素（Biotin）进行化学偶联，得到生物素标记的 ALA（Biotin-ALA），可利用生物素与亲和素（Avidin/ Streptavidin）之间的高亲和力，实现靶向输送、分子成像与准治疗。这一策略兼具 ALA 的光动力特性与生物素的靶向性，为肿瘤诊疗一体化提供了新的分子平台。

2. 分子结构与设计原理

Biotin-ALA 的结构特点

ALA 片段：提供光动力治疗的前体功能，可在细胞内转化为 PpIX，产生光敏反应。

生物素片段：可与靶向载体（如生物素化*体、纳米颗粒表面 streptavidin 修饰）结合，实现选择性富集。

连接臂（Linker）：一般采用柔性疏水或亲水链（如 PEG、烷基链）连接 ALA 与生物素，保证结构稳定与空间可及性。

这种结构设计可显著改善 ALA 的水溶性、稳定性和靶向性，并使其在体内外实验中更高效地积聚于靶组织。

3. 合成方法

Biotin-ALA 的合成通常采用活性酯偶联法，反应温和、产率高，且便于后续纯化。

3.1 原料准备

5-氨基乙酰丙酸（ALA）：需新鲜制备，防止氧化降解

生物素-NHS 酯（Biotin-N-hydroxysuccinimide ester）：作为生物素活化中间体

溶剂：无水二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）

缓冲体系：pH 7.5–8.5 的磷酸盐缓冲液（PBS）

催化剂/碱：三乙胺（TEA）或 N,N-二异丙基乙胺（DIPEA）

3.2 反应步骤

步骤 1：ALA 溶解与碱化

将 ALA 溶于 PBS 缓冲液中，调节 pH 至 8.0 左右，使氨基处于去质子化状态，提高亲核性。

步骤 2：生物素活化酯溶解

将 Biotin-NHS 酯溶于少量无水 DMF 中，保持避光操作以防降解。

步骤 3：偶联反应

将活化的生物素溶液缓慢滴加到 ALA 溶液中，在室温下反应 4–12 h。

反应机理为 ALA 的氨基与生物素-NHS 酯的活性酯键发生亲核取代，生成稳定的酰胺键。

步骤 4：纯化与干燥

采用透析（MWCO 1 kDa）去除未反应的小分子副产物。

冷冻干燥得到白色或浅黄色粉末 Biotin-ALA。

4. 结构表征

核磁共振（^1H NMR, ^13C NMR）

观察到 ALA 的甲基和甲撑信号，以及生物素的环状结构信号，酰胺键附近的化学位移变化证明偶联成功。

傅里叶红外光谱（FTIR）

1650 cm⁻¹（酰胺 I）和 1550 cm⁻¹（酰胺 II）峰增强，确认酰胺键生成。

高分辨质谱（HRMS）

测得的分子量与理论分子量一致，说明结构纯正。

高效液相色谱（HPLC）

可用于检测纯度，一般要求 ≥ 95%。

5. 性能与优势

靶向性增强

生物素修饰可与载体表面亲和素高亲和结合，实现分子级靶向递送。

光动力效率提升

靶向性增强带来肿瘤部位 ALA 浓度升高，从而增加 PpIX 生成量，提高 PDT 效果。

水溶性与稳定性改善

通过连接臂与生物素的引入，可提高 ALA 在生理条件下的稳定性，减少自降解。

多功能化平台

Biotin-ALA 可与纳米颗粒、*体、酶等结合，实现诊疗一体化（Theranostics）。

6. 应用领域

6.1 光动力治疗（PDT）

Biotin-ALA 在肿瘤细胞中富集后，通过代谢转化为 PpIX，在特定波长光照下产生活性氧（ROS），诱导细胞凋亡或坏死。

由于生物素靶向作用，可显著减少正常组织的光毒性。

6.2 光动力诊断（PDD）

在弱光照条件下，PpIX 荧光可用于肿瘤边界的实时可视化，辅助外科切除。

特别适用于膀胱癌、脑胶质瘤等边界不清晰的肿瘤手术。

6.3 靶向药物递送

通过 Biotin-ALA 与纳米载体结合，可进一步包载化疗药、基因药物，形成多模式治疗体系。

6.4 分子探针与成像

结合 MRI 对比剂或荧光染料，Biotin-ALA 可作为多模态成像探针，实现肿瘤诊疗一体化。

7. 优势与挑战

优势

高特异性靶向能力

良好的水溶性与稳定性

合成方法成熟且易于放大

兼具诊断与治疗功能

挑战

在复杂体内环境中，生物素与内源性载体蛋白（如卵清蛋白）可能发生竞争结合

大规模生产需优化纯化步骤，降低成本

需系统评估其在不同疾病模型中的生物安全性与药代动力学特征

8. 总结与展望

生物素标记的 5-氨基乙酰丙酸将光动力治疗的准性与生物素-亲和素系统的高亲和性结合，为肿瘤靶向诊疗提供了高效平台。未来研究方向包括：

设计可降解的连接臂，实现可控释放 ALA；

将 Biotin-ALA 与纳米药物递送系统结合，开发多功能诊疗载体；

在临床前模型中系统评估其药代与毒理；

推动 Biotin-ALA 在神经肿瘤、转移癌等难治性疾病中的应用研究。

凭借其独特的分子设计与临床转化潜力，Biotin-ALA 有望成为新一代光动力准治疗药物的重要组成部分。

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!