Selective chemical reactions that are orthogonal to the diverse functionality of biological systems have become important tools in the field of chemical biology. Two notable examples are the Staudinger ligation of azides and phosphines and the Cu(I)-catalyzed [3 + 2] cycloaddition of azides and alkynes ("click chemistry"). The Staudinger ligation has sufficient biocompatibility for performance in living animals but suffers from phosphine oxidation and synthetic challenges. Click chemistry obviates the requirement of phosphines, but the Cu(I) catalyst is toxic to cells, thereby precluding in vivo applications. Here we present a strain-promoted [3 + 2] cycloaddition between cyclooctynes and azides that proceeds under physiological conditions without the need for a catalyst. The utility of the reaction was demonstrated by selective modification of biomolecules in vitro and on living cells, with no apparent toxicity.

Chemical reactions that enable selective biomolecule labeling in living organisms offer a means to probe biological processes in vivo. Very few reactions possess the requisite bioorthogonality, and, among these, only the Staudinger ligation between azides and triarylphosphines has been employed for direct covalent modification of biomolecules with probes in the mouse, an important model organism for studies of human disease. Here we explore an alternative bioorthogonal reaction, the 1,3-dipolar cycloaddition of azides and cyclooctynes, also known as “Cu-free click chemistry,” for labeling biomolecules in live mice. Mice were administered peracetylated N -azidoacetylmannosamine (Ac 4 ManNAz) to metabolically label cell-surface sialic acids with azides. After subsequent injection with cyclooctyne reagents, glycoconjugate labeling was observed on isolated splenocytes and in a variety of tissues including the intestines, heart, and liver, with no apparent toxicity. The cyclooctynes tested displayed various labeling efficiencies that likely reflect the combined influence of intrinsic reactivity and bioavailability. These studies establish Cu-free click chemistry as a bioorthogonal reaction that can be executed in the physiologically relevant context of a mouse.

The 1,3-dipolar cycloaddition of azides and activated alkynes has been used for site-selective labeling of biomolecules in vitro and in vivo. While copper catalysis has been widely employed to activate terminal alkynes for [3 + 2] cycloaddition, this method, often termed "click chemistry", is currently incompatible with living systems because of the toxicity of the metal. We recently reported a difluorinated cyclooctyne (DIFO) reagent that rapidly reacts with azides in living cells without the need for copper catalysis. Here we report a novel class of DIFO reagents for copper-free click chemistry that are considerably more synthetically tractable. The new analogues maintained the same elevated rates of [3 + 2] cycloaddition as the parent compound and were used for imaging glycans on live cells. These second-generation DIFO reagents should expand the use of copper-free click chemistry in the hands of biologists.

Antibody-drug conjugates (ADCs) for the treatment of cancer aim to achieve selective delivery of a cytotoxic payload to tumor cells while sparing normal tissue. In vivo, multiple tumor-dependent and -independent processes act on ADCs and their released payloads to impact tumor-versus-normal delivery, often resulting in a poor therapeutic window. An ADC with a labeled payload would make synchronous correlations between distribution and tissue-specific pharmacological effects possible, empowering preclinical and clinical efforts to improve tumor-selective delivery; however, few methods to label small molecules without destroying their pharmacological activity exist. Herein, we present a bioorthogonal switch approach that allows a radiolabel attached to an ADC payload to be removed tracelessly at will. We exemplify this approach with a potent DNA-damaging agent, the pyrrolobenzodiazepine (PBD) dimer, delivered as an antibody conjugate targeted to lung tumor cells. The radiometal chelating group, DOTA, was attached via a novel

Abstract Glycosylated biotherapeutics are an emerging class of drugs with high molecular heterogeneity, which can affect their safety and efficacy. Characterizing this heterogeneity is crucial for drug development and quality assessment, but existing methods are limited in their ability to analyze intact glycoproteins. Here, we present a new approach to glycoform fingerprinting that uses proton-transfer charge-reduction with gas-phase fractionation to analyze intact glycoproteins by mass spectrometry. The method provides a detailed landscape of the intact molecular weights present in biotherapeutic protein preparations in a single experiment and offers insights into glycoform composition when coupled with a suitable bioinformatic strategy. We tested the approach on various biotherapeutic molecules, including Fc-fusion, VHH-fusion, and peptide-bound MHC class II complexes to demonstrate efficacy in measuring the proteoform-level diversity of biotherapeutics. Notably, we inferred the glycoform distribution for hundreds of molecular weights for the eight-times glycosylated fusion drug IL22-Fc, enabling correlations between glycoform sub-populations and the drug’s pharmacological properties. Our method is broadly applicable and provides a powerful tool to assess the molecular heterogeneity of emerging biotherapeutics.