首張“藥物擊靶”顯微照片問世 啟發藥物設計新思路

2020年08月18日09:23  來源:科技日報
 
原標題:首張“藥物擊靶”顯微照片問世 啟發藥物設計新思路

  近日,《科學進展》雜志發表我國學者論文,其上登載了一張“藥物擊靶”顯微鏡照片。照片顯示:當藥物分子(硫黃素T)要與生命體內的靶蛋白結合、起藥效時,不是單個分子去結合蛋白,而是自動像樂高積木一樣組裝后,合力“擊靶”,這種“機靈勁兒”與之前人們的想象完全不同。

  這個新發現可能帶來哪些顛覆性改變?為什麼之前沒拍到過這樣的照片?藥物分子又靠什麼像樂高積木一樣組裝?帶著這些問題,科技日報記者專訪了論文通訊作者之一的中國醫學科學院基礎醫學研究所(以下簡稱醫科院基礎所)副研究員王晨軒。

  首張顯微照片能傳遞哪些信息?

  照片中兩位主角硫黃素T和澱粉樣蛋白以寡聚體的結構結合,為藥物分子能像樂高積木自動組裝拼接提供了最好証據。

  “教科書中有一個經典的‘鎖鑰模型’,是說藥物分子必須要和蛋白嚴絲合縫才能夠‘擊靶’,像一把鑰匙開一把鎖,但現在的顯微鏡觀測結果表明,藥物分子用寡聚態的方式工作,或許隻需要半把鑰匙就能開鎖。”王晨軒對記者介紹,這是科學家首次直觀看到“藥物擊靶”的狀態,可用於指導藥物分子的設計。

  先說這張照片的主角。它們是藥物分子硫黃素T,和它的靶點分子——胰澱素蛋白(澱粉樣蛋白的一種)。為什麼選擇這兩個主角做研究?王晨軒說,作為生命大分子,蛋白質一旦出錯經常會“纏繞”錯亂,從正確的折疊構象向錯誤的折疊構象轉變,最后形成澱粉樣沉澱,導致澱粉樣蛋白和很多疾病相關。

  人們最耳熟能詳的澱粉樣蛋白是β-澱粉樣蛋白,它被發現在老年痴呆症患者的神經細胞中頻繁出現,很多藥企花巨資想研究怎麼讓這些澱粉樣沉澱消失,至今都沒有成功。

  還有Ⅱ型糖尿病、亨廷頓舞蹈症等,這些疾病中都有澱粉樣蛋白的身影。因此研究它們與藥物分子的作用機理對很多疾病的治療有幫助。

  硫黃素T正是能和這些“病態”澱粉樣蛋白特異性結合的分子,而且它還有顯色的優勢。這對照片上的主角,實際上背后關聯的是很多現在沒有治療辦法的疾病。

  照片中的主角干啥了?硫黃素T兩兩成對、湊四成團、甚至六人成伍。用學術的說法是:研究團隊發現硫黃素T在受體蛋白表面上的結合結構以四種寡聚態存在,即二聚體(頭尾相接)、二聚體(肩並肩相接)、四聚體、六聚體。

  看到這樣一幕為啥要激動?這就是藥物分子能像樂高積木組裝拼接的最好証據!

  沒看到顯微照片之前,人們要麼認為藥物分子隻能“單著”,要麼靠“盲算”揣測它們的結合,但是壓根沒証據,也就更無法指導實踐了。而現在,藥物設計者可以大膽地將選擇性寡聚效應應用於藥物分子的結構設計與優化中,通過理解藥物的寡聚化機理並操縱寡聚結構,以藥物團簇而不是藥物單分子為“單元”靶向受體蛋白。

  怎麼拍出來的?為什麼以前拍不出來?

  之前的設備和方法達不到要求。這次勇擔重任的掃描隧道顯微鏡,記錄了穿越樣品的電子直接捕捉蛋白質和藥物分子的“模樣”。

  蛋白質的照片拍攝困難。科學家先是用晶體衍射法,再用冷凍電鏡的方法,但是至今仍不是所有的蛋白都能拍攝成功。原因必須要讓蛋白排列成有序的陣列,才能滿足成像要求。

  “這就好比,隻有閱兵式上的解放軍方陣才能成像,而后面的群眾大聯歡方陣是拍不上的。”王晨軒打了個形象的比方,因此要拍攝和藥物分子結合的蛋白分子,就要用新的拍攝設備。

  掃描隧道顯微鏡勇擔重任。“它最初是物理學家用來探測原子、亞原子微觀結構的工具,具有超高的分辨率。”王晨軒說,把物理設備引進生物領域是上世紀90年代的事情,需要完成對設備的硬件、軟件、算法的全新研制,中國團隊在國際上是較早進入這一領域的。

  掃描隧道顯微鏡是通過量子力學中的隧穿效應,記錄穿越樣品的電子直接捕捉蛋白質和藥物分子的“模樣”。因此最開始的掃描隧道顯微鏡操作必須在真空中進行。

  中國科學家團隊很早解決了常態下用掃描隧道顯微鏡觀測的問題,在世界上首次使用它,實現了在常溫常壓下對化學分子的觀察。

  “經過幾代學者持續改造設備、開發新的數據採集方法,它的實力才充分展現。”王晨軒說。

  為了拍攝首張“藥物擊靶”顯微鏡照,醫科院基礎所王晨軒、於蘭蘭、張文博,與國家納米科學中心的王琛、楊延蓮、方巧君等幾代科研人打磨多年,不僅發明了蛋白質對基底的吸附技術、分子伴侶的固定技術、掃描探針的脈沖技術等一系列專利技術,還對整個“拍照”的流程進行了摸索和優化。

  “整套(拍照)技術非常復雜,很難形成照搬流程,專業人員可能需要一年或者幾年的訓練時間才能系統掌握。”王晨軒說。

  俗話說,“台上一分鐘,台下十年功”。首張“藥物擊靶”顯微鏡照不僅凝結了幾代人在這一領域的經驗積累,而且集結了生物、物理、成像等多學科人才多年創新的成果。

  看到藥物分子會“玩樂高”有什麼意義?

  為簡化現有藥物設計程序提供了一套理論基礎,其臨床價值將逐漸顯現:小分子藥物能夠穿越大分子越不過的屏障。

  “藥物設計是個‘配鑰匙’的過程。人們已知一個疾病相關的蛋白質結構,想設計一種反向性的藥物,需要有機化學家、計算機輔助藥物設計的理論化學家等一起構筑一個和蛋白質活性中心匹配的足夠大的鑰匙才能工作。”王晨軒對記者解釋,藥物分子越長合成越難,而且到了產業化的時候對工藝的要求更是指數級的增加。如果藥物其實隻需要合成原來的1/4或者是1/8,那麼難度將大大降低。在進入身體裡發揮功效時,也會事半功倍。

  “小分子到體內,能夠穿過一些大分子過不去的屏障。”王晨軒介紹,比如一個抗腫瘤的藥物,要進入實體瘤是很困難的。因為實體瘤內部高度液化,壓強非常大,大分子根本無法抵達,但小分子就不一樣了,能夠自由擴散,直接到達作用位點,組裝后再起作用,將起到更好的療效。

  “我們清楚地在顯微鏡中觀察到藥物分子的4種寡聚態,這提示我們藥物設計時應考量藥物團簇時發揮作用的基本單元。”王晨軒說,所以藥物設計應該把分子之間的作用考慮進去。

  具體到實際工作中,王晨軒認為還有很多理論需要完善。例如,當我們進行藥物篩查時,需証明它和蛋白質相互作用的方法。“我們同時需要明確藥物分子結合所需的能量,這樣就可以通過能量來控制分子是以二聚體形式還是其它寡聚態形式存在。”王晨軒說。要大大簡化現有的藥物設計程序還有很長的路要走。王晨軒說,這張顯微鏡照片証明了這個路徑的可行性。團隊的研究提供了一套理論基礎,但具體如何實現,如何在此基礎上理論聯系實際,真正運用到臨床藥物的研發中,還需要做很多工作。

  建筑學有LESS IS MORE(少即是多、簡單就是美)的理念。首張“藥物擊靶”顯微鏡照告訴我們,這個理念對於藥物設計或許同樣適用。(記者 張佳星)

(責編:王艷、李忠雙)