蛋白質(zhì)藥物的結構對于理解其作用機制、相互作用和生物活性至關(guān)重要。蛋白質(zhì)晶體在探索蛋白質(zhì)藥物的藥理學(xué)方面起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。在微重力（microgravity）環(huán)境中生長(cháng)的晶體通常比地球上的晶體更大、更有序、質(zhì)量更高。這種高質(zhì)量的晶體可以提供更清晰的X射線(xiàn)衍射圖像，有助于研究人員更準確地解析藥物分子的結構，獲得更精準的結構信息，揭示藥物與靶分子之間的相互作用，從而開(kāi)發(fā)出有效性和安全性更佳的藥物。

       微重力蛋白晶體應用案例

       例如人錳超氧化物歧化酶 (MnSOD，Human manganese superoxide dismutase) 是一種存在于線(xiàn)粒體基質(zhì)中的氧化還原酶，通過(guò)質(zhì)子轉移催化超氧化物（superoxide anion）經(jīng)過(guò)歧化反應轉化為氧氣和H2O2（圖1）。這個(gè)過(guò)程對于人體抵御活性氧物質(zhì)（ROS，Reactive Oxygen Species）具有非常重要的意義。

       圖1. SOD（超氧化物歧化酶）催化超氧化物分解為氧氣與雙氧水的反應。

       在研究MnSOD的機理過(guò)程中，盡管人們進(jìn)行了大量的實(shí)驗和 X 射線(xiàn)晶體結構，但 MnSOD 功能背后的確切化學(xué)原理尚不清楚，因為導致超氧化物消除的關(guān)鍵的逐步質(zhì)子轉移尚不清楚。對 MnSOD 催化的原子理解要求質(zhì)子可視化，可以通過(guò)中子晶體學(xué)來(lái)實(shí)現。生長(cháng)大體積且完 美的晶體是一項艱巨的任務(wù)，但可以通過(guò)微重力晶體生長(cháng)來(lái)實(shí)現，其產(chǎn)物可應用于基于中子衍射的蛋白質(zhì)藥理學(xué)研究。在這種機理研究的突破之后，研究人員有望開(kāi)發(fā)出更有效的超氧化物歧化酶藥物。

       微重力蛋白晶體特征

       大多數晶體都存在一定程度的生長(cháng)缺陷，這些"缺陷"可被視為"完 美小晶體"出現在了錯誤的位置，這種隨機的錯位形成所謂的"晶體馬賽克" （圖2）。這些晶型上的缺陷會(huì )導致衍射峰加寬或模糊，從而降低中子和 X 射線(xiàn)衍射數據的質(zhì)量，因此晶體學(xué)家的目標是最大限度地減少這些蛋白晶體缺陷，從而更好地洞察蛋白質(zhì)結構，深入了解它們的藥理學(xué)。生長(cháng)大體積且完 美的晶體是一種解決方案，但道阻且長(cháng)。微重力晶體生長(cháng)技術(shù)的發(fā)展為這一希望的實(shí)現增加了砝碼。

       由于結晶過(guò)程會(huì )降低局部系統的熵，因此必須在結晶過(guò)程中盡可能實(shí)現大的焓變才能使該過(guò)程自發(fā)進(jìn)行（吉布斯自由能為負）。通常來(lái)說(shuō)，這是通過(guò)使溶液中的蛋白質(zhì)過(guò)飽和來(lái)實(shí)現的。一旦成核發(fā)生，晶體就會(huì )生長(cháng)，直到局部蛋白質(zhì)濃度降至溶解度以下。為了使晶體持續生長(cháng)，必須建立一個(gè)傳質(zhì)系統，將蛋白質(zhì)分子從本體溶液移動(dòng)到晶體與溶液之間的界面，從而保持結晶界面的持續過(guò)飽和。但是當結晶過(guò)程中出現對流時(shí)（由于蒸汽擴散或重力作用），會(huì )產(chǎn)生晶體生長(cháng)的異質(zhì)環(huán)境，導致大晶體中出現高鑲嵌性的缺陷晶型。 微重力下實(shí)現大型晶體生長(cháng)的機理，主要就是減少對流過(guò)程對結晶的影響。在微重力環(huán)境下，流體對流減少，分子移動(dòng)得更慢，溫度可以得到更精確的控制。這樣可以減少晶體缺陷，提高晶體尺寸和均勻性。

       圖2. 晶體馬賽克示意圖以及晶體馬賽克對于晶體衍射的影響。a) 沒(méi)有鑲嵌性的完 美晶體產(chǎn)生高質(zhì)量的衍射數據（左圖）。 晶體堆砌完 美，不同波長(cháng)的入射光（以綠色、藍色和紅色示意）一起衍射，形成具有高信噪比的清晰衍射。 b）有缺陷的晶體具有高鑲嵌性，從而產(chǎn)生質(zhì)量較差的數據。會(huì )導致無(wú)歸的衍射和較低的信噪比。 （圖片來(lái)源：npj Microgravity）

       微重力晶體在藥物開(kāi)發(fā)中的意義

       微重力晶體在藥物開(kāi)發(fā)中具有重要的意義，主要體現在藥物結構解析、藥物設計和藥效學(xué)研究等方面。

       • 藥物結構解析

       高質(zhì)量晶體和結構完整性：在微重力環(huán)境中生長(cháng)的晶體通常比地球上的晶體更大、更有序、質(zhì)量更高。這種高質(zhì)量的晶體提供了更清晰的X射線(xiàn)衍射圖像，有助于研究人員更準確地解析藥物分子的結構。

       精準的結構信息： 藥物分子的結構對于理解其作用機制、相互作用和生物活性至關(guān)重要。通過(guò)微重力晶體生長(cháng)，可以獲得更精準的結構信息，有助于揭示藥物與靶分子之間的相互作用。

       • 藥物設計

       優(yōu)化藥物性質(zhì)： 通過(guò)在微重力環(huán)境中研究晶體結構，研究人員可以更好地理解藥物分子的立體構型和空間排布。這有助于優(yōu)化藥物的性質(zhì)，提高其生物利用度、穩定性和溶解度。

       降低藥物副作用： 對藥物分子的結構進(jìn)行更深入的了解有助于設計更特異和選擇性的藥物，從而降低藥物副作用，提高藥物的安全性。

       • 藥效學(xué)研究

       解析藥物與靶分子的相互作用：通過(guò)微重力晶體生長(cháng)，研究人員能夠更清晰地解析藥物與生物分子之間的相互作用。這對于理解藥物的機制、如何與生物體內的分子相互作用以及藥效的產(chǎn)生機制非常關(guān)鍵。

       精準藥物定制： 通過(guò)了解藥物分子的結構和相互作用，研究人員可以更精準地定制藥物，使其更適合特定的治療目標，提高治療效果。

       微重力蛋白晶體研究現狀以及展望

       JAXA（日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機構）是活躍于微重力蛋白質(zhì)晶體生長(cháng)研究的機構之一。JAXA 的蛋白晶體生長(cháng)的一系列研究提供了許多蛋白質(zhì)類(lèi)型的精確結構（圖3），顯著(zhù)地推動(dòng)了藥物發(fā)現。其中一項研究檢查了與杜氏肌營(yíng)養不良癥（DMD）相關(guān)的蛋白質(zhì)的晶體結構。微重力結晶研究產(chǎn)生了幾種有前途的化合物，包括一種名為 TAS-205 的分子。 它的3 期試驗已于 2020 年 12 月開(kāi)始并將持續到 2027 年。

       圖3. JAXA在微重力環(huán)境下結晶出的蛋白質(zhì)晶體。（圖片來(lái)源：JAXA）

       初創(chuàng )公司 LambdaVision Inc. 在開(kāi)發(fā)色素性視網(wǎng)膜炎（一種導致失明的遺傳疾?。┑捻椖恐羞x擇蛋白質(zhì)基質(zhì)的人工視網(wǎng)膜作為方向。制造視網(wǎng)膜需要在聚合物網(wǎng)格骨架中沉積 200 層薄如紙的光敏蛋白質(zhì)（圖4）。蛋白層必須完 美均勻，視網(wǎng)膜才能正常工作，但這一過(guò)程在地球上很難實(shí)現。從 2018 年底開(kāi)始，LambdaVision Inc.將目光對準了國際空間站，希望那里的微重力能夠幫助他們克服地球人無(wú)法解決的問(wèn)題。迄今為止，LambdaVision Inc.已向空間站發(fā)送了八次實(shí)驗，極大地提高了生產(chǎn)質(zhì)量。LambdaVision CEO Nicole Wagner)表示，在太空中可以獲得均勻的蛋白質(zhì)層，并且浪費的材料更少。LambdaVision的目標是"太空造、地球用"。

       圖4. LambdaVision Inc.研發(fā)中的植入人工視網(wǎng)膜。（圖片來(lái)源：UConn Photo）

       印第安納波利斯巴特勒大學(xué)的研究人員于 2022 年發(fā)表的一項研究發(fā)現，太空中產(chǎn)生的各種類(lèi)型晶體中 90% 具有一種或多種改進(jìn)的特性，其中包括許多制藥商想要的特性，包括大晶體、結構更佳、均一性更好、分辨率增加、鑲嵌性改善等。

       大型制藥公司也越來(lái)越重視微重力環(huán)境下晶體生長(cháng)為藥物研發(fā)帶來(lái)的益處，例如禮來(lái)已與國際空間站合作，研究他們的上市與管線(xiàn)糖尿病、疼痛癥和心血管疾病藥物的晶體生長(cháng)。 默沙東早在2019 年就發(fā)表了一項研究報告，表明微重力條件下的蛋白質(zhì)結晶對他們的腫瘤藥物Keytruda帶來(lái)了效力上的提升。 Keytruda是默沙東最重要的資產(chǎn)，很有可能在2023年取代AbbVie的Humira而登上藥王寶座。Keytruda 2023年的全球銷(xiāo)售額將超過(guò)200億美元。

       與許多癌癥重磅炸 彈藥物一樣，Keytruda也是一種單克隆抗體，必須在醫療辦公室緩慢注入患者體內。如果可以開(kāi)發(fā)出在家中進(jìn)行簡(jiǎn)單注射的高濃度版本Keytruda并申請專(zhuān)利，這無(wú)疑會(huì )給默沙東帶來(lái)更大的利潤，這也解釋了他們在劑型上下如此大力氣的原因。在 2017 年進(jìn)行的空間站實(shí)驗中，默沙東發(fā)現了一種將更多 Keytruda 晶體裝入快速流動(dòng)的懸浮液中的方法，并找到了如何在地球上復制這一過(guò)程的工藝。新的劑型有望很快進(jìn)入人體試驗。

       國際太空站（圖片來(lái)源：NASA）

       默沙東的競爭對手百時(shí)美施貴寶公司也在進(jìn)行太空蛋白質(zhì)藥物研究。 BMS稱(chēng)，在太空中可以獲得質(zhì)量更好、更均勻的晶體。雖然BMS沒(méi)有透露具體開(kāi)發(fā)藥物的品種，但分析師猜測，遨游在太空的BMS產(chǎn)品很可能是腫瘤藥物 Opdivo，被視為Keytruda 的直接競爭對手，年銷(xiāo)售額接近100億美元。

       目前默沙東和百時(shí)美施貴寶公司都在嘗試太空實(shí)驗觸發(fā)、地面生產(chǎn)的混合方案。就是利用太空的微重力環(huán)境來(lái)生產(chǎn)少量的蛋白質(zhì)晶種，然后將其帶到地球上進(jìn)行擴大生產(chǎn)。像Keytruda和Opdivo這樣的重磅炸 彈藥物，實(shí)現太空的完全供應是不現實(shí)的。實(shí)際上，Keytruda的每次空間實(shí)驗站生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)量，只夠一劑Keytruda需求。然而，對于那些劑量極低的蛋白質(zhì)藥物，例如人造視網(wǎng)膜，在不遠的未來(lái)，實(shí)現完全的商業(yè)化Made in Space并非癡人說(shuō)夢(mèng)。

       參考資料：

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