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【熱點(diǎn)應(yīng)用】看GCI 技術(shù)如何攻克小分子藥物實(shí)驗(yàn)難題
本文由馬爾文帕納科醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用專(zhuān)家秦怡供稿
小分子藥物研發(fā)是一場(chǎng)科學(xué)接力賽，從靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)到化合物篩選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再到臨床試驗(yàn)，每一步都充滿挑戰(zhàn)。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)為科學(xué)家插上一雙翅膀，助力科學(xué)家跑贏這場(chǎng)激烈地接力賽。科學(xué)家們借助分子動(dòng)力學(xué)模擬、虛擬篩選等技術(shù)可以更加全面地了解藥物分子與靶點(diǎn)蛋白的結(jié)合模式，從數(shù)以萬(wàn)計(jì)的化合物庫(kù)中迅速鎖定最有潛力的候選物，高效、精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)出真正有效、安全的藥物。
雖然計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)技術(shù)大幅提高了小分子藥物開(kāi)發(fā)的效率和精準(zhǔn)性，但設(shè)計(jì)出的新藥仍需實(shí)驗(yàn)技術(shù)的最終確認(rèn)。
光柵耦合干涉技術(shù)（Grating-coupled interferometry, GCI）是一種基于表面的非標(biāo)記分子互作技術(shù)，3 mm超長(zhǎng)檢測(cè)區(qū)域賦予了GCI技術(shù)超高的靈敏度，即使是低偶聯(lián)、低活性及大分子量配體的測(cè)試也能獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)；雙重進(jìn)樣口的設(shè)計(jì)將切換速度提升至150 ms，可敏銳捕捉解離速率為10 s-1的瞬態(tài)反應(yīng)。正是這種切換速度與靈敏度，使GCI技術(shù)成為小分子藥物與靶點(diǎn)結(jié)合確認(rèn)環(huán)節(jié)的黃金拍檔，確保每一次的結(jié)合都能被精確無(wú)誤地捕捉和驗(yàn)證。
應(yīng)用實(shí)例：
GCI技術(shù)推動(dòng)轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌藥物發(fā)現(xiàn)
轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌 （mCRC） 是導(dǎo)致癌癥相關(guān)死亡的主要原因之一，但目前仍缺乏有效的治療藥物。巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶8（FUT8）在結(jié)直腸癌在內(nèi)的大多數(shù)惡性癌癥中過(guò)表達(dá)，為潛在的治療靶點(diǎn)。
2023年8月3日，蘇州大學(xué)汪維鵬教授和李環(huán)球副教授團(tuán)隊(duì)在Cell Death Disease上發(fā)表題為 “FDW028, a novel FUT8 inhibitor, impels lysosomal proteolysis of B7-H3 via chaperone-mediated autophagy pathway and exhibits potent efficacy against metastatic colorectal cancer" 的研究性文章，該研究開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)效且具有高度選擇性的小分子 FUT8 抑制劑 FDW028，該抑制劑能顯著抑制FUT8介導(dǎo)的核心巖藻糖修飾，促進(jìn)免疫檢查點(diǎn)分子B7-H3經(jīng)分子伴侶介導(dǎo)的自噬（CMA）溶酶體途徑降解，顯著延長(zhǎng)轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌（mCRC）小鼠生存期。
圖1 FDW028 藥理作用機(jī)理
目前，通過(guò)常規(guī)策略開(kāi)發(fā)的小分子抑制劑，面臨生物利用度低、選擇性差等問(wèn)題。因此，研究者借助分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬、虛擬篩選等技術(shù)，解開(kāi)了FUT8 與小分子結(jié)合的關(guān)鍵殘基，鑒定出FDW028有望成為FUT8 的新型抑制劑。最終，研究者利用小分子開(kāi)發(fā)黃金搭檔——GCI，將FUT8通過(guò)氨基偶聯(lián)于PCP芯片表面，F(xiàn)DW028以1:2進(jìn)行稀釋流過(guò)芯片表面（8個(gè)濃度，最高濃度為100 μM），運(yùn)行緩沖液為含3%DMSO的PBS-P緩沖液。通過(guò)Kinetics測(cè)定出FDW028和FUT8親和力為5.486 μM，證實(shí)了 FDW028 與 FUT8 的結(jié)合，進(jìn)一步驗(yàn)證了FDW028作為酶抑制劑的可行性，為后續(xù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)抗腫瘤活性的評(píng)估奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
圖2 FUT8和FDW028結(jié)合動(dòng)力學(xué)
GCI技術(shù)讓小分子無(wú)處可藏
在小分子結(jié)合實(shí)驗(yàn)中，特別是在分析大分子量藥物靶標(biāo)與小分子之間的相互作用時(shí)，靈敏度是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析的核心要素。
傳統(tǒng)技術(shù)面對(duì)懸殊較大的分子互作分析時(shí)，往往需通過(guò)提升表面配體的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)Rmax（最大響應(yīng)值）的優(yōu)化，以確保結(jié)果的可靠性。然而，高分辨率的GCI技術(shù)可以精準(zhǔn)捕獲較低配體密度下的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，為研究分子間相互作用提供了新的視角和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。
基于GCI技術(shù)我們分析了一對(duì)分子量為297 Da的小分子與分子量為110 kDa的目標(biāo)蛋白（由諾華公司提供），分子量比率>350:1，這對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)標(biāo)記互作技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。將生物素化的目標(biāo)蛋白偶聯(lián)在PCH-STA芯片表面（表面衍生鏈霉親和素），分析物進(jìn)行1:3稀釋?zhuān)?個(gè)濃度，最高濃度為10 μM），運(yùn)行緩沖液為20 mM Hepes、300 mM NaCl、1 mM DTT、2%DMSO，最終通過(guò)校正及擬合以獲得結(jié)合動(dòng)力學(xué)相關(guān)信息。
圖3 297 Da小分子與110 kDa的目標(biāo)蛋白的結(jié)合動(dòng)力學(xué)
借助GCI技術(shù)的靈敏度和信噪比，即使在配體密度遠(yuǎn)未達(dá)到表面飽和的情況下（<1 pg/mm2，相當(dāng)于1 RU），也能對(duì)分子量相差懸殊的相互作用進(jìn)行可靠測(cè)試。這使我們能夠獲取具有清晰的濃度依賴性和高信噪比的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)。
GCI技術(shù)攻克小分子結(jié)合實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)
小分子結(jié)合實(shí)驗(yàn)難點(diǎn) | GCI技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)對(duì) |
小分子的分子量極小，測(cè)試儀器需要具備高靈敏度 | 3 mm超長(zhǎng)檢測(cè)區(qū)域帶來(lái)的檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)分子量無(wú)下限 |
小分子的解離速率快，測(cè)試儀器需具有快速捕捉解離過(guò)程的能力 | 150 ms液流切換速度，捕獲高達(dá)10 s-1解離速率 |
小分子的溶解性較差，需要DMSO助溶 | 可耐受高濃度DMSO，waveRAPID全新動(dòng)力學(xué)無(wú)需溶劑校正，輕松排除DMSO干擾 |
參考文獻(xiàn)：
[1] Wang, M., Zhang, Z., Chen, M. et al. FDW028, a novel FUT8 inhibitor, impels lysosomal proteolysis of B7-H3 via chaperone-mediated autophagy pathway and exhibits potent efficacy against metastatic colorectal cancer. Cell Death Dis 14, 495 (2023).
[2] Creoptix TechNote08 Large Drug Targets.