近日，中国人民大学化学与生命资源学院王亚培课题组提出了一种生物安全的百草枯前体——羧甲基紫精（CMV），其两性离子的结构特性削弱了细胞的摄取，从而减弱了其生物毒性，在细胞和小鼠模型中表现出优异的安全性。此外，它还可以在温和的条件下发生脱羧反应形成甲基紫精（百草枯，MV），并在除草实验中表现出令人满意的效果。
杂草生长严重影响了粮食产量和质量，对全球粮食安全和可持续农业发展构成严重威胁。据报道，杂草会导致主要作物的全球收成减少约34%。目前，除草剂是应对杂草问题的主要手段，其中百草枯因其除草效率高、成本低、水溶性好和环保性等特性，深受市场青睐。然而，百草枯对人毒性极高，且无特效解毒药，一旦意外摄入，死亡率极高，因此，百草枯已在20多个国家被禁止或者严格限制。遗憾的是，到目前为止，还没有发现任何除草剂替代品能够在广谱除草效果和成本方面与百草枯媲美。因此，迫切需要开发新的策略和技术来解决意外摄入百草枯造成的安全问题，从而促进百草枯的安全使用。
基于以上背景，中国人民大学化学与生命资源学院王亚培课题组开发了一种生物安全的百草枯前体。如图1所示，在可控的条件下，百草枯前体的安全锁被打开，转变为可以具有除草活性的百草枯。
图1. 生物安全百草枯前体及其通过脱羧反应转化为有毒百草枯的示意图
作者首先研究了该过程的脱羧动力学。脱羧反应广泛存在于生化过程中，在有机合成领域发挥了重要作用。通过使用催化剂或提高温度等方法，可以加速脱羧反应，同时释放出二氧化碳（CO₂）。此外，羧基a位的强吸电子基团能够促进脱羧反应。热重分析（TGA）证明了CMV脱羧成功并转化为MV（图2a）。在不同pH值下的羧基均能充分离子化，所以脱羧反应对pH变化表现出轻微敏感性，在8小时内所有pH条件下实际测得的CO₂释放量远低于理论值（图2b）。这主要是因为在水中的氢键对羧酸根阴离子具有一定的屏蔽作用，为此引入了毒性较低的氢键竞争剂DMSO来促进脱羧反应，结果证明脱羧反应在水/DMSO混合液（体积比40:60）中最为有利（图2c）。在70°C、60% DMSO（v/v）条件下的脱羧反应中，通过紫外-可见光谱（UV-Vis）和1H NMR光谱可以看到，3小时内即有超过80%的CMV发生脱羧（图1e和图1f）。
图2. 百草枯前体的合成及其通过脱羧反应的活化
作者还评估了CMV和MV对BEAS-2B细胞（人正常肺上皮细胞）和L929细胞（小鼠成纤维细胞）的细胞毒性。如图3a-3b所示，MV在两种细胞系中表现出剂量依赖性的毒性，而CMV在相应浓度范围内表现出可忽略的毒性。由于MV的毒性主要源于活性氧（ROS）的产生（图3c），作者利用ROS荧光探针DCFH-DA评估了BEAS-2B细胞暴露于CMV和MV后的ROS水平。如图3d所示，与阳性对照组相比，MV处理的细胞显示出显著的绿色荧光，表明ROS水平极高。相比之下，CMV组和对照组的细胞仅显示出可忽略的绿色荧光，表明CMV处理不会引发细胞的氧化应激，进一步证明了CMV的无毒性。如图3e所示，MV处理的细胞在JC-1染色后表现出强烈的绿色荧光，表明MV引起了显著的线粒体损伤。相反，CMV组并未发现细胞线粒体的明显损伤。这一发现进一步支撑了CMV具有良好安全性的结论。
图3. 细胞模型中CMV的生物安全性评价
作者采用了体内小鼠模型进一步验证CMV和MV的不同安全性。在第30天，对接受CMV和MV处理的小鼠主要器官进行了毒性评估，包括血清生化检测和组织病理学诊断（图4a）。如图4b-4d所示，CMV组小鼠的血清指标（肝功能标志物天冬氨酸氨基转移酶（AST）和丙氨酸氨基转移酶（ALT），肾功能标志物尿酸（UA）和血尿素氮（BUN））与对照组无明显差异。相反，MV组小鼠的血清指标则出现了剂量依赖性的显著升高，表明MV引起了严重的肝肾损伤。对不同组小鼠肺组织进行Masson三色染色的结果（图4e）表明MV组小鼠的肺组织显示出明显的纤维化（红色箭头，蓝色染色），此外，肺纤维化的严重程度与MV的剂量浓度呈正相关。而在CMV组，三种浓度下小鼠的肺组织均未发现明显的纤维化情况。这些结果共同证明，在较低的CMV浓度下，CMV相比MV安全性更高。
图4. 小鼠模型中CMV的体内安全性评价
作者最后探究了CMV作为百草枯前体在除草中的实际应用。为了便于使用，作者将CMV的脱羧反应与一个便携的加热装置结合使用（图5a）。如图5b所示，与对照组和CMV组中的黑麦草相比，经T-MV处理的黑麦草逐渐褪色并枯萎，这反映了T-MV通过破坏叶绿体导致植物叶片脱落的过程。室外除草实验的结果不仅进一步证实了T-MV的高效除草活性，也再次确认了CMV的生物安全性。
图5. CMV转化后的MV的除草活性
综上所述，该团队通过一种一锅反应合成了一种生物安全的百草枯前体CMV。CMV在细胞和小鼠模型中表现出优异的安全性，加热后可在短时间内脱羧为百草枯，使其适用于农业杂草控制。通过合理设计，为百草枯引入″安全锁″，防止人类意外摄入。这种安全功能可以在温和的条件下解锁，释放百草枯的除草能力。CMV采用的脱羧策略为预防百草枯意外中毒问题提供了一种新方法，并开辟了将这种基于脱羧的前体药物设计策略扩展到其他剧毒除草剂或杀虫剂的可能性。
文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202404831
来源: 公众号：CCSChemistry