南大特聘教授：彻底改变药物设计的技术

最近，南京大学特聘教授、美国亚利桑那州立大学的陶农建及其同事，在最近的《Science Advances》杂志发表文章，描述了一种新方法，用于研究小分子及其与膜蛋白之间的交流。这项新的研究，对于细胞水平上对生物功能的基础性研究，有着广泛的意义，也为新药物的设计提供了一个高效的平台，可使药物设计进行的更快速、更准确，成本更低。

　　

生物通报道：大多数药物是由小分子组成的，它们可靶定一类细胞膜表面上发现的蛋白质。研究这些微妙的相互作用，对于有效药物的设计是必不可少的，但是，这一任务是非常具有挑战性的。

现在，美国亚利桑那州立大学生物Biodesign研究所的陶农建（Nongjian Tao）及其同事，在最近的《Science Advances》杂志发表文章，描述了一种新方法，用于研究小分子及其与膜蛋白之间的交流。这项研究将使科学家和临床医生能够以前所未有的精度、在非常小的尺度上，研究这些相互作用。

这项新的研究，对于细胞水平上对生物功能的基础性研究，有着广泛的意义，也为新药物的设计提供了一个高效的平台，可使药物设计进行的更快速、更准确，成本更低。

这种方法首次可让研究人员直接、实时地测量小分子与完整细胞上膜蛋白之间的结合动力学，而不使用分子标记。延伸阅读：顾臻创新设计:序贯粒子两种药物靶定癌细胞不同部位。

靶向的方法
陶农建教授也是南京大学特聘教授，近年来在单分子电子学、化学和生物传感器方面做出了一系列原创性工作。他指出：“大多数药物是小分子，大多数的药物靶标是膜蛋白。从制药学角度来看，确定小分子和膜蛋白之间的结合是非常重要的，对于理解基本的细胞过程也非常重要。”

准确的药物设计不仅需要了解小分子药物和它们所结合的膜蛋白，而且还需要关于“随时间的推移这个过程如何发展”的信息——所谓的结合动力学系统。药物结合以及游离于受体的速度，对药物的疗效和安全性，有直接的影响。

结合动力学的优化，可让药物设计者精确控制两个关键的参数——被称为Kon和Koff。它们代表小分子蛋白结合事件和小分子的解离。

传统上来说，这样的研究要求将蛋白质从它们在细胞膜上的天然环境中去除。一旦从细胞中提取出来，膜蛋白就被固定在一个表面上，检测它们与小分子之间的相互作用。不幸的是，随后从细胞环境中的提取，可能会改变膜蛋白的行为。

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与生物分子相比——往往是几千道尔顿，用于大多数药物的小分子，在大小上近似于几百道尔顿。（一达尔顿大约等于一个核子的质量）

小分子的微小尺寸，可让我们对结合动力学进行精确的研究。这一事实已经使药物筛选过程成为一件艰巨而昂贵的事情。从药物发现到最终的商业化，通常需要10到12年的研究，每开发一种新药的成本接近于10亿美元。

除了检测固定在表面上的膜蛋白的结合动力学，动物试验通常被用来尝试验证新的药物，但成本很高，而且这些方法是低效的，往往会引发伦理问题。此外，即使是成功的结果，也并不总是适用于人类患者。

一个新的发现
药物开发领域正日益朝向基于细胞的、高通量筛选的方法，在小分子与膜蛋白的天然环境中检测它们之间的相互作用。然而，利用目前的技术，样品分子越小，就越难检测到。一种流行的检测方法，涉及到样品分子的荧光标记。在这里，一种染料颗粒被固定在分子上以进行研究，但标记分子可以深刻地改变这些小分子的性能。

这种新技术利用标准的显微镜方法，为基于细胞的试验提供了一种平台，而无需使用荧光标记。它首次提供机会，让我们以很高的分辨率实时地研究结合动力学。该方法依赖于一个事实，即结合和解离事件会改变细胞膜的形状，使其变形。

这个成像过程被称为微分光学检测。随着小分子撞击表面膜蛋白，它会改变膜的表面张力。陶教授说：“这种变化是非常微小的——小到几纳米或更少。我们有一种方法，以很高的精度跟踪这种变化——纳米级。”此外，该技术与简单的光学显微镜兼容，但这些技术——包括相对比成像或表面等离子体共振（SPR），可用于增强图像的对比度。

在边缘
为了完成微妙的检测，研究人员沿细胞膜边缘选择了2个区域。当小分子与蛋白质结合时，膜就会变形。由于光强度的变化，这种机械变形可被光学检测到。这种间接检测，可让我们随着时间的推移，检测到非常小的细胞膜变化。

陶教授把这个过程比作发现外行星（太阳系之外的行星）的技术。虽然这样的物体太微弱和遥远，因此不能直接探测到，但是，由于看不见的太阳系外行星引起的重力影响，我们可以从波动的星光推断出它们存在的证据。

在目前的研究中，研究人员使用相位对比成像技术，来实时检测完整细胞内大分子、小分子与膜蛋白之间的相互作用。虽然中心的重点是小分子的检测，但是大分子的相互作用有助于验证结果，因为所观察到的结合动力学可以与传统的检测手段得到的实验数据相比。对于小分子检测，陶教授的团队使用检测乙酰胆碱的膜蛋白——已被广泛研究的一种模型系统。

这种新方法使“膜蛋白-小分子相互作用的研究”更加接近于实际发生在生命系统中的行为。该平台与基于细胞的试验一致，并有望能够实现更快、更便宜和更精确的药物设计，从而为细胞生物学的基本问题带来新的见解。

陶教授表示，他们为这项技术感到振奋，并正在努力进一步发展它，从而强调了这项新技术在学术研究机构和制药实验室中的作用。

（生物通：王英）
注：陶农建，亚利桑那州立大学电子工程系终身正教授，同时任化学和生物化学系兼职教授。2008年起担任该校生物电子学与生物传感器中心主任。2010年当选为美国物理学会会士及美国科学促进会会士。2012年起担任南京大学特聘教授。近年来他的研究小组在单分子电子学、化学和生物传感器方面做出了一系列原创性工作，并在Science, PNAS, Nature Nanotechnology及Nature Chemistry等国际学术期刊上发表了近200篇学术文章和书籍章节。

生物通推荐原文摘要：
Kinetics of small molecule interactions with membrane proteins in single cells measured with mechanical amplification
Abstract: Measuring small molecule interactions with membrane proteins in single cells is critical for understanding many cellular processes and for screening drugs. However, developing such a capability has been a difficult challenge. We show that molecular interactions with membrane proteins induce a mechanical deformation in the cellular membrane, and real-time monitoring of the deformation with subnanometer resolution allows quantitative analysis of small molecule–membrane protein interaction kinetics in single cells. This new strategy provides mechanical amplification of small binding signals, making it possible to detect small molecule interactions with membrane proteins. This capability, together with spatial resolution, also allows the study of the heterogeneous nature of cells by analyzing the interaction kinetics variability between different cells and between different regions of a single cell.