最新JACS:无保护氨基酸和多肽的铜介导放射氰化

Q1 研究背景

正电子发射断层扫描(PET)是一种非侵入性成像技术，能够在体内疾病诊断、治疗监测和询问生物活性分子的生物分布和靶标参与。PET扫描使用带有正电子发射放射性同位素(最常见的是18F对11C)标记的小分子进行。因此，开发新的放射性标记生物活性分子合成方法应用于PET具有很高的兴趣。氨基酸和多肽是这些方法中特别吸引人的靶点，因为它们参与了许多生物过程，并有望作为药物和诊断学，特别是在肿瘤学中。治疗神经内分泌肿瘤和前列腺癌的肽受体放射性核素治疗(PRRT)的成功表明，该技术也对治疗其他癌症抱有希望。这使得人们迫切需要为其他目标开发治疗药物，同时也需要改进的放射化学方法，提供各种放射性标记肽的途径。

肽的11C放射性标记是一种特别有吸引力的方法，因为这种放射性同位素可以多种形式在小型医用回旋加速器中具有高摩尔活性。碳11C来源，许多现有的肽11C标记反应包含更大的11C可以显着改变化学和生物学特性的辅基。因此，以最小的结构扰动对氨基酸和多肽进行直接的非放射性标记的策略仍然需要使用。然而，肽的直接放射性标记带来了挑战，因为这些手性、密集功能化的分子容易受到竞争的外消旋化和侧链取代基的不良反应。在传统的（冷）肽功能化序列中，（1）采用相对温和的条件(室温，中性pH)来最小化，（2）保护活性官能团，以实现对感兴趣位点的选择性。然而，类似的方法对于11C放射性标记是不可行的。在这里，放射性同位素是限制试剂，通常以纳摩尔或更低的浓度引入。此外，11C的半衰期只有20min。因此，通常需要高温和高浓度来实现足够快的反应速率，并且必须避免耗时的保护-去保护序列，最大限度地缩短合成时间并为PET成像提供高摩尔活性产品。

如图1所示，理想的肽标记方法应满足三个关键标准。首先，它应影响在合成的最后一步选择性引入放射性核素，同时避免天然官能团的竞争反应。其次，它应该能够在非天然氨基酸残基上进行11C标记，该氨基酸残基可以被引入肽内任何感兴趣的位点。第三，含11C的官能团应尽可能减少天然肽的空间/电子扰动，以尽量减少结构和活性的变化。

已有多种肽11C标记方法在文献中报道，和代表性的例子如图1所示。迄今为止，还没有符合上述所有标准。例如，Del Vecchio和Audisio已经证明通过施陶丁格氮杂-维蒂希环化将11CO2结合到叠氮丙氨酸上。但是，该反应仅限于在N末端进行标记。在另一个例子中，Zhao、Hooker和Buchwald开发了一种通过Pd介导的S-芳基化/放射性氰化序列放射性标记半胱氨酸残基的方法。然而，这种转化依赖于天然半胱氨酸残基的附着，并引入了一个相对较大的（7-碳）辅基。Cornilleau、Foquet 和 Hermange 报道了通过顺序叠氮化物/炔烃环加成与含碘芳烃的接头和随后的Pd介导的11CO碳烷氧基化对叠氮基高丙氨酸进行放射性标记。然而，该序列所需的大接头可能会扰乱肽的结构/功能。

Q2 文章亮点

1. 作者团队描述了适用于复杂分子的芳基卤化物的铜介导的辐射氰化反应。这种转化可以耐受非常广泛的官能团，包括未受保护的氨基酸。

2. 作者团队发现能够在碘苯丙氨酸残基处将[11C]CN定点引入肽中。使用二胺连接的铜（I）介体对于在相对温和的条件下实现高放射化学产率至关重要，从而限制外消旋和其他氨基酸侧链的竞争性副反应。

3. 作者团队发现的该反应已被规模化和自动化，以提供放射性标记的肽，包括促肾上腺皮质激素的类似物（ACTH）和痛觉肽（NOP）。

4. 作者团队的调查提供了初步证据，证明痛觉肽穿过血液−脑屏障，显示所有脑区的摄取（注射后60分钟SUV>1），与已知的NOP受体在恒河猴大脑中的分布一致。

Q3 图文速读

1. 作者团队描述了适用于复杂分子的芳基卤化物的铜介导的辐射氰化反应。这种转化可以耐受非常广泛的官能团，包括未受保护的氨基酸。

2. 作者团队发现能够在碘苯丙氨酸残基处将[11C]CN定点引入肽中。使用二胺连接的铜（I）介体对于在相对温和的条件下实现高放射化学产率至关重要，从而限制外消旋和其他氨基酸侧链的竞争性副反应。

3. 作者团队发现的该反应已被规模化和自动化，以提供放射性标记的肽，包括促肾上腺皮质激素的类似物（ACTH）和痛觉肽（NOP）。

4. 作者团队的调查提供了初步证据，证明痛觉肽穿过血液−脑屏障，显示所有脑区的摄取（注射后60分钟SUV>1），与已知的NOP受体在恒河猴大脑中的分布一致。

图 1. 11C 肽标记方法

表1. 优化的条件

图 2. Cu/DMEDA 催化的芳基和杂芳基卤化物的放射性氰化

图3. Cu/DMEDA 催化合成放射性药物

图 5. 注射 [11C]CN-44 后 20-60 分钟的汇总冠状灵长类动物 PET 图像，显示皮层（顶部）和平均（n = 2）全脑和区域时间-活动曲线（底部）的摄取。支持信息中提供了其他 PET 数据

Q4 总结展望

总之，作者描述了一种非常通用且稳健的方法，用于 Cu 介导的芳基和杂芳基卤化物的放射性氰化。这种转化的特殊官能团相容性体现在其成功应用于未受保护的氨基酸和肽底物。相对于其他先进的 11C 肽标记方法，这种方法的一个关键优势是它不需要大的修复基团，因此对靶标的结构修改最少。此外，它可以在“预编程”的碘苯丙氨酸残基上进行选择性标记，因此不依赖于天然功能。这允许对标记位置进行战略选择，这对于维持肽配体的功能至关重要。

总的来说，我们希望这种方法能够对许多其他生物活性肽和小蛋白质进行11C 放射性标记，以应用于 PET。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c01959