综述：扩大适体的化学多样性

《TRENDS IN Chemistry》：Expanding the chemical repertoire of aptamers

本综述系统阐述了通过化学修饰（如碱基、糖环、磷酸骨架修饰）和新型筛选策略（如mod-SELEX）提升适体（aptamer）结合亲和力、靶向特异性及生物稳定性的前沿进展。文章重点分析了修饰适体在生物传感、成像、靶向治疗（如PROTAC-适体偶联物）等生物医学应用中的潜力，为突破天然核酸靶向局限性提供了重要指导。

　　

扩大适体的化学多样性

适体（aptamer）作为功能核酸分子，凭借其高亲和力、高特异性及易于修饰等优势，在生物医学领域展现出巨大应用潜力。然而，天然核苷酸有限的化学多样性限制了适体对难靶向目标（如低溶解度小分子、无序蛋白、糖基化蛋白）的结合能力，并使其易受核酸酶降解。本综述旨在探讨如何通过化学修饰策略突破这些局限，从而释放适体的全部应用潜能。

化学修饰的重要性

功能核酸，包括适体、脱氧核酶（DNAzyme）和核酶（ribozyme），通常通过指数富集的配体系统进化技术（SELEX）在体外筛选获得。尽管适体在生物传感、纳米材料构建及治疗制剂设计中已取得广泛应用，但其临床应用仍面临稳定性差、细胞摄取效率低以及对复杂靶标识别能力有限等挑战。化学修饰的引入，旨在增强适体的核酸酶抗性、改善其药代动力学性质，并为其引入天然核酸所不具备的功能活性（如光敏特性）。

化学修饰的类型

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  碱基修饰：这是最成熟的策略之一。通过在嘧啶C5位或7-脱氮嘌呤N7位引入功能性侧链，可显著增强适体与靶标的相互作用。慢解离速率修饰适体（SOMAmer）技术是其中的典范，其通过在dU碱基上引入疏水性芳香族侧链（如苄基、萘甲基），使适体对蛋白质靶标的亲和力达到纳摩尔甚至皮摩尔水平，并兼具类药性质。此类修饰可模拟抗体互补决定区中常见的酪氨酸、色氨酸等氨基酸侧链，从而拓展相互作用模式。此外，引入立方烷、环辛四烯等三维疏水结构，有助于突破“平面化学”限制，提供独特的结合模式。更有甚者，引入钌络合物等光敏基团，可直接赋予适体光动力治疗（PDT）功能。
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  糖环与骨架修饰：为提高生物稳定性，常将适体中的核糖2'-OH替换为2'-氟（2'-F）、2'-O-甲基（2'-OMe）等基团，或采用硫代磷酸酯（phosphorothioate） linkage。更深入的修饰涉及使用非天然核酸（XNA）骨架，如苏糖核酸（TNA）、锁核酸（LNA）和1',5'-脱水己糖醇核酸（HNA），这些修饰不仅能极大提高适体在生物环境中的半衰期，还可能带来全新的折叠模式。镜像适体（Spiegelmer）技术通过使用由D-氨基酸构成的镜像DNA聚合酶来筛选L型核酸适体，从而获得对天然核酸酶完全惰性的高亲和力适体。
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  磷酸骨架修饰：除了糖环修饰，对磷酸二酯骨架进行改造（如肽核酸PNA、吗啉代 oligo、硼烷磷酸酯）也能有效抵抗核酸酶降解。近年来，酶法合成烷基膦酸酯等新型中性骨架取得进展，为未来适体开发提供了更多可能性。

修饰适体的筛选方法

修饰适体的获取主要有两种途径：直接筛选修饰文库（mod-SELEX）或对已筛选出的天然适体进行后期化学修饰（post-SELEX）。mod-SELEX的核心挑战在于修饰文库的酶法制备及其反向转录。目前主要方法包括：

1. 1.
   聚合酶介导的合成：在PCR或引物延伸反应中用修饰核苷酸替代天然核苷酸，此法对碱基修饰兼容性较好。
2. 2.
   连接酶介导的合成：利用连接酶将预先合成的小片段修饰寡核苷酸拼接成完整文库，适用于某些糖或骨架修饰。
3. 3.
   表型-基因型关联技术：如SELMA策略，直接将修饰核酸（表型）与其编码DNA（基因型）共价连接，省去了困难的反转录步骤。
4. 4.
   点击化学SELEX：先在文库中引入叠氮或炔烃等点击化学手柄，筛选后再通过铜催化的叠氮-炔环加成反应（CuAAC）引入功能基团，提高了筛选灵活性。

通过结构解析理解结合机制

高分辨率结构生物学技术（X射线晶体学、冷冻电镜cryo-EM、NMR）揭示了修饰适体与靶蛋白复合物的精细结构，为了解其结合机制提供了宝贵信息。这些结构研究展示了修饰引入后适体独特的折叠方式和相互作用模式，例如非经典的G-四链体样结构、芳香族残基间的边对面堆积作用，以及由立方烷修饰诱导的C-H···O氢键等非经典相互作用。这些结构蓝图极大地促进了下一代适体库的合理设计。

修饰适体的应用

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  生物传感与成像：碱基修饰的适体是SOMAscan蛋白质组学平台的核心组件，用于生物标志物的高灵敏度、多重检测。在诊断传感器中，化学修饰使适体不仅能作为捕获探针直接参与靶标识别，还能提高传感器的特异性、区分相似结构，并延长其在复杂生物流体中的使用寿命。例如，L-DNA适体构建的电化学传感器具有卓越的核酸酶抗性。修饰适体还可作为成像探针，通过后期标记荧光基团或直接筛选荧光适体（如Mango、Pepper），实现对细胞内微小RNA（microRNA）或RNA G-四链体（rG4）等靶标的高信噪比成像。

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  治疗与药物递送：化学修饰赋予适体更强的核酸酶抗性、更长的体内半衰期和更佳的亲和力，为其治疗应用奠定了基础。适体既可作为独立药物发挥作用，例如通过靶向细胞膜受体中和病毒感染、抑制肿瘤进展或酶活性，也可作为靶向递送工具，构建适体-药物偶联物（ApDC），将小分子药物、治疗性寡核苷酸（ASO、siRNA）、肽类，乃至脂质体、纳米颗粒等大分子载体特异性递送至病变细胞。新兴的策略还包括开发适体-PROTAC偶联物和适体-LC3偶联物，通过招募E3泛素连接酶或自噬相关蛋白LC3，实现对靶蛋白的选择性降解，为肿瘤联合治疗提供了新思路。

结论与展望

适体的化学修饰是一个快速发展的领域，它通过增强结合性能、引入功能活性和改善类药性质，极大地扩展了适体的实际应用范围。第二个治疗性适体阿伐西普肽（avacincaptad pegol）的FDA批准以及SOMAscan技术的成功，都彰显了化学修饰的重要性。未来研究仍需应对诸多挑战，包括开发更高效的修饰文库筛选方法（如利用人工智能进行虚拟筛选）、优化修饰寡核苷酸的规模化生产（化学酶法合成），以及深入理解修饰适体在体内的行为机制。将新型筛选策略、三维修饰侧链的探索、酶工程和生物催化合成方法相结合，必将推动更高效能适体的发现，进一步巩固其在生命科学和医学领域的重要地位。