生物正交反应是一类可以在生物体系中进行的化学反应,具有极高的生物相容性和选择性,不会对生命体系中其它物质产生冲突或影响。利用生物正交反应,我们可以在生理环境中可预测地进行反应,根据需求应用生物正交官能团中的一个或多个发生相互作用,实现对靶蛋白的特异性标记和调控。目前生物正交反应的药学应用类型主要是两大类:前药释放策略（断键反应）和体内化合物原位合成策略（成键反应）。前药设计是生物正交反应应用于药物研发的重要领域,其中“点击和释放”反应策略为药物开发过程中通常遇到的药物透膜性、毒性、靶向性等成药性难题提供解决途径。本论文第一部分的工作就是围绕点击和释放生物正交反应开展新的反应类型及其药物化学应用探索研究。目前文献报道的生物正交反应类型中只有少数具有快速的反应动力学,这是能够应用于体内研究的重要前提。其中常用的反式环辛烯与四嗪的反应速率达到了 102M-1s-1,但是一些特异性的四嗪衍生物会受到硫醇的诱导而分解,并且在体内由于半衰期短会被快速清除。而且,反式环辛烯自身不稳定,会被生物体内含有蛋白质的过渡金属介导发生异构化,从而失去快速反应动力学特征。因此,发展反应速率快的新类型生物正交反应,不但扩展生物正交反应的工具箱,而且对于其真正应用于药物研发尤为重要。为此,本论文开发了一类基于N-氧化物和硼试剂点击反应的新的生物正交反应,设计了一类可携带药物片段和/或荧光团的新的底物结构,即含有醚键或氨基甲酸酯键的N,N-二甲基苯胺N-氧化物前体,通过与联硼酸频那醇酯（B2pin2）发生点击反应,可以在生物体内释放出相应的药物分子。这类反应类型不仅具有快速的反应动力学和药物释放率,而且极性的N-氧化物结构也能提高化合物的水溶性,并通过某些药物结构的荧光发光特性可以在细胞内实现特异性的药物可控释放及成像。本论文工作首先设计以7-羟基香豆素通过醚键构成的苯胺N-氧化物前体（化合物102）作为模板底物,研究其与联硼酸频那醇酯发生点击释放反应的反应动力学及其细胞内反应特征。在PBS缓冲溶液和室温下,运用HPLC和荧光分光光度计检测,前体N,N-二甲基-4-（（（2-氧-2H-色满-7-基）氧代）甲基）苯胺氧化物（102）与B2pin2发生1,6-消除反应,释放出香豆素发出荧光,其二级反应速率常数达到了 k2=7.14 × 102 M-1s-1。该实验结果初步验证了该反应作为前药设计策略的可行性。为了进一步扩展底物结构的适用性范围,我们又设计合成了 7-氨基-4-甲基香豆素通过氨基甲酸酯键构成的前体N,N-二甲基-4-（（甲酰氨氧基）甲基）苯胺氧化物106,其在PBS中释放出强烈的荧光,但当与B2pin2反应后荧光消失快速得到中间体150,随后在1小时内缓慢释放出7-氨基-4-甲基香豆素。该反应的速率受到DMSO比例的影响,在纯DMSO体系下没有7-氨基-4-甲基香豆素的释放。确定了释放机制和范围后,我们进一步拓展该生物正交反应在生物体系中的应用。我们选用7-乙基-10-羟基喜树碱（SN-38）作为工具药物,其对癌细胞具有细胞毒性以及在水相中具有不同颜色的荧光特性。7-乙基-10-羟基喜树碱通过醚键构成N,N-二甲基苯胺N-氧化物前药103,与联硼酸频那醇酯在水溶液中发生点击释放反应,二级反应速率常数达到了 k2=1.17 × 103 M-1s-1,且释放效率在90%左右。进一步在细胞体系中进行药物释放实验,通过对A549、HeLa、MCF-7、PC3、KYSE520等5种细胞株进行生物实验,点击反应的两个组分103和B2pin2单独与细胞孵育,其细胞毒性都比原药SN-38对细胞的毒性小,两组分混合后体系的肿瘤细胞抑制活性介于原药和前药之间;特别是在A549细胞株上,前药103和B2pin2的反应组显示出与原药相近的肿瘤细胞抑制活性,而且显著强于前药本身。实验结果表明基于该新型生物正交反应的前药策略在细胞体系中具有可行性。同时,细胞内荧光成像实验结果显示该反应策略还具有细胞内成像的特征,通过荧光的变化可以检测原药在细胞内的释放,使得该点击释放反应具有可视化特征。在细胞内成像实验的基础上,进一步实验表明该前药103可以通过尾静脉注射进入小鼠体内并激活释放出SN-38,且实现了体内肿瘤细胞的荧光成像。第二部分工作主要围绕药物在生物体内合成的生物正交反应探索研究,考察钯催化的生物正交偶联反应体系的药物化学应用。体内靶细胞原位合成药物可以在一定程度上降低药物毒性对生命体系的伤害,并有助于解决大分子量化合物的透膜性问题,甚至起到更好的靶向治疗效果。我们利用文献报道的钯纳米粒子功能化荧光纳米球cRGDfE-PdNP作为偶联反应的催化剂,其上修饰有肿瘤靶向功能的RGD环肽。该钯纳米粒子功能化荧光纳米球理论上具有催化性、成像性和靶向性多重功能,以及纳米粒子所具有透膜性,可以作为工具进一步应用探索。我们选取FGFR1激酶抑制剂PD173074作为工具药进行概念验证。PD173074是靶向FGFR1催化位点的ATP竞争性抑制剂,有着良好的抑制肿瘤细胞增殖的活性,但是FGFR亚型选择性差,由于其本身的毒性问题被撤出了临床二期试验。我们分析PD173074的共晶结构将其上的活性基团通过逆合成分析拆分成碘代或溴代片段（123/136）以及硼酸酯化合物片段124在PBS中通过cRGDfE-PdNP催化偶联反应,结果显示化合物123（碘代化合物片段）的偶联反应效果更好,结果表明我们设计合成的碘代化合物片段123与硼酸酯片段124在cRGDfE-PdNP的催化作用下原位合成PD173074的可行性。综上所述,我们设计了一种新的“点击和释放”策略,生物正交前药设计使用N-氧化物与B2pin2之间的点击反应对进行,其可行性已在体外,细胞内以及体内得到了验证。快速的反应动力学（～103 M-1s-1）和高释放率（＞90%）可以在其它领域得到广泛的应用。此外,为了进一步拓展cRGDfE-PdNP催化剂应用于小分子药物原位合成的范围,验证了该催化剂催化PD173074原位合成的可行性。