《RSC Chemical Biology》：“MIDA masking” of boronic acid therapeutics for enhanced stability and economyOpen Access
编辑推荐：
硼酸是宝贵的化学试剂，能够实现复杂有机分子的合成，并且药物化学家可独特地利用其亲电性硼中心靶向生物亲核试剂，从而发挥可逆共价抑制剂的功能。尽管硼酸应用广泛，但其纯化困难，且在空气、水分和活性氧(reactive oxygen species, ROS)存在下极
硼酸是宝贵的化学试剂，能够实现复杂有机分子的合成，并且药物化学家可独特地利用其亲电性硼中心靶向生物亲核试剂，从而发挥可逆共价抑制剂的功能。尽管硼酸应用广泛，但其纯化困难，且在空气、水分和活性氧(reactive oxygen species, ROS)存在下极不稳定——这是其在生物应用中面临的主要障碍。研究人员推测，硼酸保护基N-甲基亚氨基二乙酸(N-methyliminodiacetic acid, MIDA)——通常仅限于合成有机化学领域——能够为含硼酸生物活性分子提供更优的保护策略。以美国食品药品监督管理局(FDA)批准的抗癌蛋白酶体抑制剂硼替佐米(bortezomib)和伊沙佐米(ixazomib)作为概念验证底物，研究人员证明了MIDA硼酸酯的水解稳定性比现行标准保护基（如二醇类和α-羟基酸类保护基）提高数百倍，赋予分子显著的抗氧化和抗光降解能力，同时在细胞实验中对其生物活性影响甚微。研究人员提出，将MIDA硼酸酯引入含硼酸药物的合成路线中，可消除药物开发中成本高昂的脱保护和重新配制步骤，从而实现更直接的途径制备货架稳定的“MIDA掩蔽”硼酸类药物。
**基于MIDA掩蔽策略的硼酸类药物稳定性增强与制备经济性优化**
**一、研究背景与问题的提出**
硼酸类化合物在有机合成、材料科学以及生物学领域应用广泛。其核心反应性来源于硼原子的Lewis酸性，但这一特性同时也使其容易通过氧化脱硼(oxidative deboronation)或质子脱硼(protodeboronation)途径发生B–C键断裂，导致化合物降解。化学家们已设计出多种保护基以耐受苛刻的化学反应条件、便于纯化并实现长期储存，但上述策略在无空气和无水分条件下表现最佳，而生物环境中的水相条件和氧化应激则基本未被有效解决。专为有机合成设计的硼酸保护基通常过于疏水且水解不稳定；而针对生物用途设计的保护基（如糖醇类或α-羟基酸类）则与化学合成不相容且水解过于迅速，常需过量使用以抵消可逆的二醇-硼酸酯交换反应。
以蛋白酶体抑制剂硼替佐米(BTZ)为例，其过去二十年间作为多发性骨髓瘤一线治疗药物取得了商业成功，确立了硼酸作为靶向共价药物发现中重要药效团的地位。然而，临床上硼替佐米需以含甘露醇的冻干制剂重新溶解后快速静脉或皮下给药，以规避首过代谢并靶向可及且高度敏感的血循环肿瘤细胞。相当一部分给药剂量沉积于红细胞中，直至后续经肝CYP3A4和CYP2C19氧化代谢清除。红细胞表面丰富的糖基化（如唾液酸化）及其在体内的绝对数量优势，可能通过可逆的顺式1,2-和1,3-二醇结合作用为非特异性沉积提供了汇点。其他含硼酸药物如PDE-4抑制剂克立硼罗(crisaborole)则仅限于局部用药，并需以有机溶剂配制以增强溶解性并限制氧化。因此，亟需一种稳健且通用的保护策略，以实现硼酸类治疗药物尤其是全身给药途径的潜力。
一种理想的生物相容性硼酸保护基应具备以下特征：(1) 对硼形成三价配位以增强稳定性；(2) 具有氢键供体/受体能力以维持水溶性；(3) 与有机合成反应条件相容。研究人员鉴定出N-甲基亚氨基二乙酸(MIDA)为满足上述要求的候选保护基。MIDA在合成有机化学中因其稳定性和选择性脱除能力被广泛应用，但关于MIDA硼酸酯生物学效用的研究极为有限。此前Llona-Minguez、Helleday及合作者率先利用MIDA衍生化改善了含硼酸抑制剂在体内的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)性质及血浆稳定性，并观察到保护与未保护形式的靶标结合活性相似。另一项研究在基于活性的蛋白质谱分析(ABPP)中使用了MIDA硼酸酯作为反应手柄。两项研究均发现MIDA保护与未保护的硼酸抑制剂对其蛋白靶标的结合亲和力相似，提示MIDA基团须经水解后分子才能成为活性抑制剂。然而，迄今缺乏在制药相关背景下评估MIDA硼酸酯水解稳定性的研究，也缺乏关于MIDA保护对药效团活性或降解易感性影响的研究。
**二、研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员合成了两种FDA批准的烷基硼酸类蛋白酶体抑制剂硼替佐米和伊沙佐米(IXZ)的MIDA保护类似物(BTZ–MIDA和IXZ–MIDA)，并对其进行了系统评价。研究首次提供了MIDA硼酸酯药效团水解稳定性的详细分析，证明了其对氧化和光降解的显著抵抗能力，并确认了该保护策略在细胞水平上不会显著削弱药效团的细胞毒活性。研究结果表明，MIDA掩蔽策略较传统二醇类保护基具有本质优势，有望为硼酸类药物提供一条更直接、更经济的制备途径。该研究的核心意义在于：将MIDA硼酸酯引入含硼酸药物的合成路线中，可消除制药开发中成本高昂的脱保护和重新配制步骤，实现货架稳定的“MIDA掩蔽”硼酸类药物的一步式制备（即MIDA在整个合成、纯化和制剂过程中充当唯一保护基）。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键方法开展研究：以无水二甲亚砜(DMSO)为溶剂，在温和条件下对硼替佐米和伊沙佐米(后者以伊沙佐米–柠檬酸盐为原料经碳酸钾脱柠檬酸处理后)进行MIDA保护基安装，分别以99%和85%的产率获得目标化合物。水解稳定性研究采用高效液相色谱-质谱联用(LC-MS)方法监测BTZ–MIDA随时间的变化，将硼酸酯水解视为准一级反应。氧化研究以过氧化氢(H?O?)为氧化剂，通过LC-MS对大鼠异构体氧化产物进行比例监测。此外采用了密度泛函理论(DFT)计算能量最小化水相结构，以及对称性自适应微扰理论(SAPT)进行能量分解分析。
**四、研究结果**
**合成策略：** 研究人员采用较传统高温方法更温和的条件，筛选无水有机溶剂确定DMSO为最优反应介质，成功在BTZ和IXZ上安装MIDA基团，产率分别达99%和85%。MIDA硼酸酯可通过硅胶柱色谱轻松纯化，且在室温无避光条件下储存未见降解。
**水解研究：** 在生理盐水（药物储存和给药的常用溶剂）中，BTZ–MIDA的半衰期(t?)为69小时，较BTZ–频哪醇硼酸酯(约0.3小时)提高250倍。甘露醇（BTZ临床制剂中的溶解度辅助剂）的加入不改变半衰期，证明MIDA酯对与二醇的转酯化反应具有抵抗力。在pH 7.0磷酸钠缓冲液中t?约为48小时，半衰期随pH升高呈下降趋势（符合MIDA硼酸酯已知的碱不稳定性），低温(4 °C)储存可进一步增强稳定性。IXZ–MIDA的相对稳定性略低(t? = 34 h)，这可能与其硼原子邻近缺少苯基所提供的一定空间位阻有关。
**氧化研究：** 在中性pH磷酸盐缓冲液中，未保护BTZ在24分钟内被完全氧化，而BTZ–MIDA在相同时间内仅约2%被氧化。IXZ–MIDA的行为与BTZ–MIDA几乎相同，而未保护的IXZ氧化速度快于BTZ（数分钟内完全氧化），这同样归因于IXZ缺乏邻近苯基所提供的位阻屏蔽和/或π电子捐赠至硼空p轨道的作用。在生理盐水中，97%的BTZ和BTZ–频哪醇在70分钟后被氧化，而BTZ–MIDA仅3%被氧化。BTZ–频哪醇的氧化曲线呈S形，可通过其快速水解后释放出氧化敏感的BTZ来解释。
**光降解研究：** 在硼硅酸盐玻璃容器中，以λ = 254 nm紫外光照射29小时后，未保护BTZ产生明显的氧化降解产物BTZ-ox-1和BTZ-ox-2（源自硼酸氧化的两个非对映异构体）。在相同条件下，BTZ–MIDA几乎不产生上述氧化产物，其他降解产物的丰度也同步降低。使用石英玻璃容器（不滤除紫外光）时，降解产物生成更快更多，MIDA保护同样大幅减少了BTZ的光降解。
**细胞毒性研究：** 在多发性骨髓瘤细胞系KMS11中，BTZ–MIDA的半数抑制浓度(IC??)为1.22 nM，较BTZ(0.42 nM)仅增加约3倍；在HeLa和M21细胞系中差异更小。IXZ–MIDA与IXZ相比细胞毒性差异甚微。蛋白酶体活性实验证实，BTZ–MIDA需要水解释放活性硼酸才能抑制蛋白酶体的糜蛋白酶样活性，MIDA本身无抑制活性且无细胞毒性。酯酶水解实验（猪肝酯酶PLE、人对氧磷酶/芳基酯酶1 (PON1)、人羧酸酯酶1/2 (CES1/2)）未能明确证实MIDA硼酸酯可被这些酯酶显著水解。
**计算建模：** DFT计算表明，MIDA的加入对BTZ的整体构象影响不大，BTZ中三配位硼酸的平面与邻近苯环的π面堆叠被MIDA的N-甲基与苯环π面之间的CH–π相互作用所替代。SAPT能量分解分析量化了这一CH–π相互作用，净稳定化能为?1.32 kcal mol?1（N-甲基碳与苯环中心距离3.4 ?），其中色散力为主要驱动力。MIDA对IXZ的构象影响较大，IXZ–MIDA中与硼相连的Cα发生显著扭转，但未观察到可预测的稳定化相互作用。
**五、结论与讨论**
本研究表明，MIDA保护基可用于硼酸类治疗药物的掩蔽，使其在生物环境中具备水解释放可控、抗氧化和抗光降解的能力，且不显著改变化合物在细胞内的活性，同时可能防止与内源性二醇（包括细胞表面碳水化合物）的非特异性相互作用。研究结果可能因所掩蔽的治疗药物类型及其靶点和/或作用机制不同而有差异，因此对采用MIDA掩蔽策略的每种硼酸治疗药物均应开展如本文所述的稳定性和活性研究。此外，由于MIDA硼酸酯与标准有机合成条件兼容，将其用作合成砌块可实现简便纯化，免去目前所需的脱保护和重新配制步骤——这些步骤因未保护硼酸难以通过正相色谱纯化且易发生质子脱硼和氧化脱硼而降低产率。MIDA掩蔽的硼酸类治疗药物有望消除合成步骤，从而提高制备经济性。综上，MIDA掩蔽策略解决了硼酸类药物稳定性与可合成性之间的长期矛盾，为硼酸类药物的开发提供了一种兼具合成兼容性和生物稳定性的通用保护方案，具有重要的学术价值和应用前景。
