近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心商明课题组报道了一种基于光电协同催化的新方法，能够直接在寡核苷酸骨架的非桥氧位置进行烷基化修饰。相关研究成果近期以“A Photoelectrocatalytic Platform for Sequence-UnrestrictedModification of Oligonucleotide Backbones”为题发表在期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

在生物医药领域，寡核苷酸药物（如反义寡核苷酸ASO、小干扰RNA等）已成为治疗癌症、遗传性疾病和罕见病等多种疾病的变革性手段。然而，天然磷酸二酯骨架容易受到酶的降解，导致细胞摄取不良以及代谢稳定性受限等问题，从而阻碍了其治疗应用，这些瓶颈严重制约了其临床转化与应用。对寡核苷酸骨架进行化学修饰，是突破上述限制的核心策略。其中，电中性的烷基膦酸酯受到越来越多的关注，它不仅能有效增强核酸酶稳定性，还能改善带负电荷的膦硫寡核苷酸由于其与蛋白非特异性结合导致的毒性。然而，现有方法（如依赖格氏试剂的经典磷酰胺化学）存在苛刻的反应条件、官能团兼容性差、难以引入空间位阻大的二级和三级烷基等局限。虽然目前已有一些方法来突破三级烷基的引入，但无法实现对任意序列的通用、可编程修饰。

商明课题组报道了一种基于光电协同催化的新方法，能够直接在寡核苷酸骨架的非桥氧位置进行烷基化修饰。该方法以简单羧酸为烷基源，通过自由基介导的C(sp³)–P键偶联，实现了寡核苷酸骨架的模块化、序列无限制烷基修饰。该平台不仅适用于多种烷基结构（包括一级、二级和三级烷基），而且兼容所有四种天然核碱基的任意组合，突破了传统方法在序列兼容性和官能团耐受性上的限制。研究还进一步将修饰策略应用于临床前反义寡核苷酸Prexigebersen修饰，显著增强了其抗白血病活性，展现了该平台在下一代核酸药物开发中的重大潜力。

在最优条件下，作者首先对一些二核苷底物普适性进行了系统考察。所有四种天然脱氧核糖核苷（dT、dA、dC、dG）组成的16种不同二核苷亚磷酸酯，均能以中等至良好产率（45–73%）获得相应烷基化产物。该方法不仅兼容嘧啶碱基，对易氧化的嘌呤碱基也表现出优秀的耐受性，且未观察到明显的碱基降解，真正实现了序列无限制的修饰能力。此外，该体系对核糖核苷（如尿苷构建的二核苷亚磷酸酯）同样适用，体现了该方法在DNA与RNA体系中的普适性。

为验证烷基结构的多样性，作者进一步探索了多种羧酸作为烷基自由基前体。一级羧酸（甲基、乙基、苯乙基等官能团）、二级羧酸（如含氮杂环）以及未活化的三级羧酸（包括小环与双环体系）均能顺利参与反应，以中等至良好产率获得相应的烷基膦酸酯。尤为突出的是，这种合成策略还可以有效地扩展到含有两个环丁基修饰的三聚体的构建，证明了其具有构建多个连续主干改变的寡核苷酸结构的能力，极大拓展其应用于寡核苷酸后期修饰的化学空间。

获得烷基膦酸酯二聚体后，作者将其转化为相应的亚磷酰胺单体，并通过自动固相合成将其精准引入寡核苷酸链中，构建了一系列不同位点与数量的修饰寡核苷酸（ON1–ON20）。系统的生物学性质表征表明：烷基修饰仅引起双链熔解温度（Tm）轻微下降（平均约-1.0°C），且多个修饰不会产生明显的累积效应。圆二色谱（CD）显示单点或少数修饰不改变双链整体构象；更重要的是，所有测试的多种烷基膦酸酯修饰均能显著增强对核酸外切酶Ⅰ的抗性，其中3′末端环丁基修饰的寡核苷酸几乎完全抵抗酶解。

作者将环丁基修饰应用于靶向Bcl-2的临床前反义寡核苷酸Prexigebersen获得其烷基化类似物ON24。在白血病细胞系及原代AML细胞模型中，ON24展现出显著增强的抗白血病活性：凋亡诱导能力提升15–20%，细胞周期阻滞更显著，线粒体膜电位下降更明显，并伴有更强的ROS积累。生长抑制实验表明，ON24具有更低的半抑制浓度（IC50），验证了烷基修饰在提升药效方面的明确治疗优势，凸显了该平台的应用潜力。

综上所述，作者发展了一种通用、可编程的光电协同催化平台，实现了寡核苷酸骨架的序列无限制烷基化修饰。该方法条件温和、底物范围宽泛、官能团兼容性好，能有效引入传统方法难以实现的二级与三级烷基。修饰后的寡核苷酸在保持双链结构稳定性的同时，显著增强了核酸酶抗性和治疗活性。该工作不仅为寡核苷酸药物的骨架工程提供了强大工具，也为下一代核酸治疗剂的开发开辟了新的化学空间，具有重要的科学意义与转化潜力。