蛋白質(zhì)藥物的結(jié)構(gòu)對(duì)于理解其作用機(jī)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)方面起著非常關(guān)鍵的作用。在微重力（microgravity）環(huán)境中生長(zhǎng)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射線衍射圖像，有助于研究人員更準(zhǔn)確地解析藥物分子的結(jié)構(gòu)，獲得更精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)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(yīng)用案例

       例如人錳超氧化物歧化酶 (MnSOD，Human manganese superoxide dismutase) 是一種存在于線粒體基質(zhì)中的氧化還原酶，通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移催化超氧化物（superoxide anion）經(jīng)過(guò)歧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氧氣和H2O2（圖1）。這個(gè)過(guò)程對(duì)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(yīng)。

       在研究MnSOD的機(jī)理過(guò)程中，盡管人們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和 X 射線晶體結(jié)構(gòu)，但 MnSOD 功能背后的確切化學(xué)原理尚不清楚，因?yàn)閷?dǎo)致超氧化物消除的關(guān)鍵的逐步質(zhì)子轉(zhuǎn)移尚不清楚。對(duì) 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(xiàn)。生長(zhǎng)大體積且完 美的晶體是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但可以通過(guò)微重力晶體生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其產(chǎn)物可應(yīng)用于基于中子衍射的蛋白質(zhì)藥理學(xué)研究。在這種機(jī)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(shù)晶體都存在一定程度的生長(zhǎng)缺陷，這些"缺陷"可被視為"完 美小晶體"出現(xiàn)在了錯(cuò)誤的位置，這種隨機(jī)的錯(cuò)位形成所謂的"晶體馬賽克" （圖2）。這些晶型上的缺陷會(huì)導(dǎo)致衍射峰加寬或模糊，從而降低中子和 X 射線衍射數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此晶體學(xué)家的目標(biāo)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(jié)構(gòu)，深入了解它們的藥理學(xué)。生長(zhǎng)大體積且完 美的晶體是一種解決方案，但道阻且長(zhǎng)。微重力晶體生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展為這一希望的實(shí)現(xiàn)增加了砝碼。

       由于結(jié)晶過(guò)程會(huì)降低局部系統(tǒng)的熵，因此必須在結(jié)晶過(guò)程中盡可能實(shí)現(xiàn)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(fù)）。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(xiàn)的。一旦成核發(fā)生，晶體就會(huì)生長(zhǎng)，直到局部蛋白質(zhì)濃度降至溶解度以下。為了使晶體持續(xù)生長(zhǎng)，必須建立一個(gè)傳質(zhì)系統(tǒng)，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(jié)晶界面的持續(xù)過(guò)飽和。但是當(dāng)結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)對(duì)流時(shí)（由于蒸汽擴(kuò)散或重力作用），會(huì)產(chǎn)生晶體生長(zhǎng)的異質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致大晶體中出現(xiàn)高鑲嵌性的缺陷晶型。 微重力下實(shí)現(xiàn)大型晶體生長(zhǎng)的機(jī)理，主要就是減少對(duì)流過(guò)程對(duì)結(jié)晶的影響。在微重力環(huán)境下，流體對(duì)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(duì)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(shù)據(jù)（左圖）。 晶體堆砌完 美，不同波長(zhǎng)的入射光（以綠色、藍(lán)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(shù)據(jù)。會(huì)導(dǎo)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(xiàn)在藥物結(jié)構(gòu)解析、藥物設(shè)計(jì)和藥效學(xué)研究等方面。

       • 藥物結(jié)構(gòu)解析

       高質(zhì)量晶體和結(jié)構(gòu)完整性：在微重力環(huán)境中生長(zhǎng)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射線衍射圖像，有助于研究人員更準(zhǔn)確地解析藥物分子的結(jié)構(gòu)。

       精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)信息： 藥物分子的結(jié)構(gòu)對(duì)于理解其作用機(jī)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(zhǎng)，可以獲得更精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)信息，有助于揭示藥物與靶分子之間的相互作用。

       • 藥物設(shè)計(jì)

       優(yōu)化藥物性質(zhì)： 通過(guò)在微重力環(huán)境中研究晶體結(jié)構(gòu)，研究人員可以更好地理解藥物分子的立體構(gòu)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(wěn)定性和溶解度。

       降低藥物副作用： 對(duì)藥物分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的了解有助于設(shè)計(jì)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(zhǎng)，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(duì)于理解藥物的機(jī)制、如何與生物體內(nèi)的分子相互作用以及藥效的產(chǎn)生機(jī)制非常關(guān)鍵。

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

       微重力蛋白晶體研究現(xiàn)狀以及展望

       JAXA（日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)）是活躍于微重力蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)研究的機(jī)構(gòu)之一。JAXA 的蛋白晶體生長(zhǎng)的一系列研究提供了許多蛋白質(zhì)類型的精確結(jié)構(gòu)（圖3），顯著地推動(dòng)了藥物發(fā)現(xiàn)。其中一項(xiàng)研究檢查了與杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良癥（DMD）相關(guān)的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。微重力結(jié)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(yàn)已于 2020 年 12 月開(kāi)始并將持續(xù)到 2027 年。

       圖3. JAXA在微重力環(huán)境下結(jié)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(dǎo)致失明的遺傳疾?。┑捻?xiàng)目中選擇蛋白質(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(xiàn)。從 2018 年底開(kāi)始，LambdaVision Inc.將目光對(duì)準(zhǔn)了國(guó)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(yàn)，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(fèi)的材料更少。LambdaVision的目標(biāo)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(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，太空中產(chǎn)生的各種類型晶體中 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(jié)構(gòu)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(zhǎng)為藥物研發(fā)帶來(lái)的益處，例如禮來(lái)已與國(guó)際空間站合作，研究他們的上市與管線糖尿病、疼痛癥和心血管疾病藥物的晶體生長(zhǎng)。 默沙東早在2019 年就發(fā)表了一項(xiàng)研究報(bào)告，表明微重力條件下的蛋白質(zhì)結(jié)晶對(duì)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(yī)療辦公室緩慢注入患者體內(nèi)。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(qǐng)專利，這無(wú)疑會(huì)給默沙東帶來(lái)更大的利潤(rùn)，這也解釋了他們?cè)趧┬蜕舷氯绱舜罅獾脑?。?2017 年進(jìn)行的空間站實(shí)驗(yàn)中，默沙東發(fā)現(xiàn)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(fù)制這一過(guò)程的工藝。新的劑型有望很快進(jìn)入人體試驗(yàn)。

       國(guó)際太空站（圖片來(lái)源：NASA）

       默沙東的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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，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(cè)，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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，年銷售額接近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(yàn)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(kuò)大生產(chǎn)。像Keytruda和Opdivo這樣的重磅炸 彈藥物，實(shí)現(xiàn)太空的完全供應(yīng)是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際上，Keytruda的每次空間實(shí)驗(yàn)站生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)量，只夠一劑Keytruda需求。然而，對(duì)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(yuǎn)的未來(lái)，實(shí)現(xiàn)完全的商業(yè)化Made in Space并非癡人說(shuō)夢(mèng)。

       參考資料：

       [1] Darwin, C. G. The reflexion of X-rays from imperfect crystals. Lond., Edinb., Dublin Philos. Mag. J. Sci. 43, 800-829 (1922).

       [2] Otalora, F., Gavira, J. A., Ng, J. D. & Garcia-Ruiz, J. M. Counterdiffusion methods applied to protein crystallization. Prog. Biophys. Mol. Biol. 101, 26-37 (2009).

       [3] Gaskill, M. L. Creating New and Better Drugs with Protein Crystal Growth Experiments. NASA. 25. 04. 2023.

       [4] Wright, H. et al. An Analysis of Publicly Available Microgravity Crystallization Data: Emergent Themes Across Crystal Types. Cryst. Growth Des. 2022, 22, 12, 6849-6851

       [5] Kansteiner, F. Eli Lilly, Redwire head to space to explore next frontier of drug development. FiercePharma. 30. 10. 2023.

       [6] Smith, A. W. Published Results From Crystallization Experiments on the ISS Could Help Merck Improve Cancer Drug Delivery. ISS National Laboratory. 02. 12. 2019.

       [7] Kansteiner, F. Bristol Myers Squibb shoots for the stars with next leg of International Space Station biomanufacturing project. FiercePharma. 17. 03. 2023.

       [General] Langreth, R. Drug Companies Explore Making Some of Their Most Lucrative Drugs in Space. Bloomberg. 05. 12. 2023.