他山之石,可以攻玉!生物物理,挖宝利器!

生物物理学技术在当今科研生产领域有着非常广泛的应用,涉及到的学科更是包括了化学、生物学、材料学、药学等等多学科门类。应用生物物理学技术往往能从另一个角度突破原有专业知识局限挖到意想不到的宝贝。本君一直从事新药发现相关研究,但是长期以来受困于活性化合物的靶标寻找与确认。药靶确认是新药发现过程中的一个重要环节。特别是对于多靶点作用的天然产物以及基于表型筛选得到的各种活性化合物,确认药靶成为了活性化合物和临床候选药物之间一道难以逾越的鸿沟。以往,这部分工作更多依赖于各种生物化学方法。近几年,大量生物物理学技术手段被广泛应用于活性化合物的靶标确认环节,这在某种程度上加速了新药开发的速度,也为更多活性天然产物的成药开发扫清了关键技术屏障。随着自己对各种生物物理学技术的了解和应用,深感其在药靶确认环节中大有用武之地。今天,就为大家介绍药靶确认环节中使用较为广泛的几种生物物理学技术,算是端午节的福利吧。药“靶”确认是新药发现的重要环节。图片来自网络1. X-Ray Crystallography众所周知,X-射线单晶衍射技术在表征化合物结构中具有举足轻重的作用。对于生物分子的结构解析,X-射线晶体学(XRC)同样占据重要地位。在药物研发过程中,活性化合物与生物分子复合物的共结晶(简称共晶)结构解析无疑成为了活性化合物药靶确认的强有力武器。有机小分子与蛋白质的共晶实验。图片来源:J. Med. Chem.优势:能明确化合物关键片段与生物分子直接相互作用的具体结合位点信息,这是其他技术所不能提供的。精确到原子级别的相互作用信息可以称得上是药物化学家手中的利剑。局限:被研究的生物分子要能够很好地结晶,并且能获得化合物与生物分子的共晶。无法对相互作用强度进行相对定量。整个研究过程需要大量的生物分子,且实验周期较长。2. NMR (Nuclear magnetic resonance)用于研究小分子有机化合物和生物大分子相互作用的核磁共振(NMR)技术有许多,比如STD-NMR,Water-LOGSY,1H/13C-HSQC,1H/15N-HSQC等等。总的来说,可以分为两大流派。一派是通过大分子NMR信号变化确认相互作用形式(1H/13C-HSQC,1H/15N-HSQC等),另一派则是通过检测小分子NMR信号变化确认相互作用形式(如STD-NMR,Water-LOGSY等)。2D 1H/15N HSQC NMR。图片来源:Nat. Rev. Drug. Discov.STD-NMR分析人血清白蛋白和硝西泮类似物。图片来源:J. Chem. Educ. 优势:基于大分子的NMR检测能解析出生物大分子的结构,通过滴定实验计算出小分子与生物大分子结合强度Kd值;基于小分子的NMR检测能明确小分子哪个结构片段与生物大分子存在相互作用,对生物分子的大小无要求,更不需要对其进行同位素标记。局限:基于大分子的NMR检测大多需要对蛋白进行大量13C和(或)15N的同位素标记,通常适用于分子量小于40 kDa的小蛋白;基于小分子的NMR检测有时则会受制于小分子的结构而无法应用。3. SPR (surface plasmon resonance)如果说上述两项技术是在研究小分子结构信息的基础上拓展而来,那么表面等离子共振(SPR)技术似乎就是为研究大分子而生,该技术在研究生物大分子之间相互作用领域中有着不俗表现。就目前发展而言,检测小分子与生物大分子的SPR技术也可分为两种流派:一派是基于微流体表面感受器的检测技术(固定生物大分子);另一派是基于微阵列感受器靠CCD相机成像的检测技术(固定小分子化合物库)。基于微流体表面感受器的SPR实验。图片来源:Cell基于微阵列感受器的SPR实验。图片来源:Nat. Rev. Drug. Discov.优势:基于微流体表面感受器的SPR技术可以直接进行和时间相关的各种检测,比如测定Kd,kon,koff的具体数值;基于微阵列感受器的SPR技术则具有超高通量的优势,无论哪种SPR技术,它们都可以进行化学计量学研究(也就是一个靶点结合几个活性化合物),并且灵敏度都非常高足以满足目前各种常规检测。局限:第一种SPR技术需要固定生物分子到芯片上,固定过程中会导致部分失活,对于一些稳定性较差的生物分子难以应用这种方法;第二种SPR技术需要固定化合物库到感受器上因此需要对化合物进行特定的共价修饰。4. ITC (Isothermal titration calorimetry)等温滴定量热(ITC)技术能够测量生物分子与配体之间相互作用时的热量改变。因其能测得分子间相互作用的各种热力学常数(ΔH,ΔS,ΔCP),Kd值以及化学计量学结果被许多科研人员奉为验证分子间直接相互作用的“金标准”。ITC实验结果。图片来源:J. Med. Chem.优势:生物大分子和化合物均不需要任何化学修饰,量热过程完全在溶液中进行,实验结果直接反映分子间相互作用热力学情况,结果可靠性高。局限:生物大分子消耗巨大!巨大!巨大!许多研究人员抱怨滴定小分子与蛋白作用时产热太小…太小…太小……上述四大技术可称得上是药靶确认过程中应用相对广泛的生物物理学技术。除此之外,还有一些相对小众的技术手段用于确认药靶,比如TSA(Thermal shift analysis)、DSC(Differential scanning calorimetry),质谱技术中的NC‑MS(Non-covalent MS)、AS‑MS(Affinity-selection MS)、HDX‑MS(hydrogen–deuterium exchange MS)等等。由于篇幅所限,就不在这一一列举了。在药物研发过程中,这些生物物理学技术除了应用于靶标确认,在基于片段的药物发现(fragment-based drug discovery,FBDD)领域更是有着不俗的表现,这方面的报道很多,我也就不在此赘述了。希望大家通过我的介绍对这些技术有所了解,也许将来再解决某个问题时脑中能闪过一道光影,然后拿出手机找到这篇文章。至少,在读文献时看到上面的类似配图不至于一脸茫然。最后,欢迎用过上述某个技术的同学积极踊跃留言。毕竟本君水平有限,难免有错漏之处,大家多多交流哦。参考文献:1. Biophysics in drug discovery: impact, challenges and opportunities. Nat. Rev. Drug. Discov., 2016, 15, 679-6982. The Practice of Medicinal Chemistry 3rd.(本文由乐只君子供稿)

气温—妊娠糖尿病,这回它们真扯上了关系!

近几年,有一个名词常被准妈妈们谈起,这便是妊娠糖尿病(GDM)。对于准妈妈来说,一旦被确诊出患有“妊娠糖尿病”,那么抱歉,她便不幸成了传说中的“糖妈妈”了。妊娠糖尿病对母亲和胎儿都有不良影响。孕妇患了这种糖尿病后,可能出现羊水过多、产后出血、孕产妇死亡等情况。而对于胎儿来说,巨大儿是其常见并发症,还有可能导致流产、早产、胎儿宫内生长受限、死胎的发生率增高等。近日,《加拿大医学会杂志》(Canadian Medical Association Journal)发表的一篇论文又有了一个出人意料的研究结果:妊娠糖尿病与气温存在一定关联,比起生活在较高温环境条件下的孕妇,生活在较低温环境条件下的孕妇得妊娠糖尿病的风险要低一些。具体而言,这篇论文给出了这样的数字:在妊娠糖尿病筛查前30天内,暴露于极低平均气温(零下10摄氏度甚至更低)中的孕妇,其妊娠糖尿病的患病率为4.6%;相比之下,暴露于较高平均气温(高于24摄氏度)的孕妇,其妊娠糖尿病的患病率则升至7.7%。该研究还发现,温度每上升10摄氏度,糖尿病风险便会上升6%—9%。气温与妊娠糖尿病患病率关系图。图片来源:Canadian Medical Association Journal本项研究的调查样本量非常大,共涉及396,828名妇女,在12年的时间里,她们的总生育次数高达555,911次。所有调查对象均生活在加拿大的大多伦多地区,只不过有些人怀孕时平均气温比较高,有些人怀孕时平均气温低一些。本文第一作者也是通讯作者Gillian Booth博士表示,该研究结果貌似有点违反直觉,因为“很多人会觉得,若天气比较暖和,孕妇们自然爱呆在户外,运动量也大一些,这样一来就有助于控制体重增加,也就不容易得妊娠糖尿病了”。“然而,它却符合新研究中一种预期的模式,即通过开启一种被称为棕色脂肪的保护型脂肪,冷接触可以提高对胰岛素的敏感性。”Gillian Booth博士。图片来源:St. Michael's Hospital研究同样发现,对同一名孕妇来说,就相邻的两次怀孕而言,温度每上升10摄氏度,也会显现出类似的效应。“通过将研究分析进一步限定为同一名妇女,我们就能够有效控制一系列风险因素,”本项研究的另一名负责人Joel Ray博士说,“如此一来,我们就能够排除诸如种族、收入、活动和饮食习惯等因素,因为对不同的女性而言,这些因素或存在一定的影响。”除了孕期暴露于较高气温条件下从而导致罹患妊娠糖尿病的风险较大外,研究人员还发现,就加拿大女性而言,那些出生于较凉爽气候下的女性,其患上妊娠糖尿病的概率要低于出生于较热气候条件下的女性。拿数字来说话,对于那些出生于较凉爽气候条件下(这里指加拿大和美国)的女性而言,妊娠糖尿病筛查前30天若暴露于较低环境温度,妊娠糖尿病患病率为3.6%;若暴露于较高环境温度,妊娠糖尿病发病率为6.3%。相比而言,那些出生于较热气候条件下(包括南亚、非洲和中东地区)的女性,上述两个患病率分别升至7.7%和11.8%。按照Booth和Ray的说法,若把这些新发现与全球不断上升的温度联系在一起,则预示着在全球范围内,妊娠糖尿病的发病率将呈现递增态势。研究人员们不无忧心地写道:“随着全球气温的不断上升,尽管妊娠糖尿病风险仅是略有增加,但鉴于人口基数如此之庞大,所以绝对数字不容小觑。”由于妊娠糖尿病往往只是暂时性的,结果便是某些人对这种类型的糖尿病颇有些不以为然,但事实上,除了我们前面讲到的各种危害,他们往往还忽略了这样一个事实,即妊娠糖尿病与成人2型糖尿病的风险因素有莫大关联。如此一来,潜台词就变成了:随着全球气温的上升,2型糖尿病的发病率也可能会上升。对于人类而言,全球变暖或又多了一层寓意,这便是糖尿病。图片来源于网络“过去,煤矿工人靠金丝雀作为防备井下有害气体和污染物的报警系统。矿工们要听着鸟儿不停地叫着;如果鸟儿沉默了,矿工就知道他们有危险了。如今,就成人型糖尿病而言,我们或许也可以把全球变暖视为一只金丝雀。”Booth和Ray如是说。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Influence of environmental temperature on risk of gestational diabetesCMAJ, 2017, DOI: 10.1503/cmaj.160839部分内容编译自:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-05/smh-nrl050817.php X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

Science子刊封面:能治疗心力衰竭的抗癌小分子药是何方神圣?

心力衰竭(heart failure),是由于心脏的收缩功能或舒张功能发生障碍,所泵送的血量无法满足身体所需,从而引起的心脏循环障碍症候群。在美国,心力衰竭是病死率及医疗费用排名靠前的疾病之一。而且这种疾病很难治疗,目前已获准上市的药物虽然不少,但仍有约40%的患者会在心力衰竭被确诊之后的五年内死亡。这使得人们对新型疗法的需求更为迫切。日前,由美国格莱斯顿心血管疾病研究所的Saptarsi Haldar博士领衔的研究团队证实,一种开发用于癌症治疗的小分子JQ1,是治疗心力衰竭的有效药物,甚至在长期和严重疾病的情况下也能改善心脏的功能。相关成果以封面文章形式发表于Science Translational Medicine 杂志上,Haldar实验室的Qiming Duan博士以及博士生Sarah McMahon为该文并列第一作者。小分子JQ1治疗心力衰竭作为封面文章。图片来源:Sci. Transl. Med.部分作者(从左至右):Qiming Duan、Sarah Mcmahon、Saptarsi Haldar。图片来源:Gladstone Institute of Cardiovascular Disease研究的关键在JQ1的作用靶标、一种表观遗传“阅读器”蛋白——溴结构域蛋白4(bromodomain-containing protein 4,BRD4)。这种蛋白本是一种新发现的癌症治疗靶点,但有研究表明它在心肌细胞肥大过程中起到病理基因反式激活的关键共激活剂作用,说明这种蛋白也可能在心力衰竭中扮演着重要的角色。早在2010年,本文合作者之一哈佛大学的James Bradner博士就报道过一种名为JQ1的小分子,可以靶向抑制BRD4蛋白,有效地抑制肿瘤的生长(Nature, 2010, 468, 1067-1073)。Haldar团队之前的工作也已经证明,在刚发病时即给予JQ1治疗,可以在小鼠模型中阻止心力衰竭的发展(Cell, 2013, 154, 569-582)。然而,由于大多数人类心力衰竭患者已经存在长期的心脏功能障碍,JQ1在长期和严重疾病情况下对心脏功能是否还有改善,这需要得到进一步验证。小分子JQ1及其与BRD4的结合。图片来源:Nature工作介绍视频。视频来源:Gladstone Institute of Cardiovascular Disease在小鼠模型中,研究人员首先证实了JQ1对长时间的超负荷压力(持续的高血压)以及在心肌梗塞之后的心力衰竭都具有治疗效果。动物实验的结果其实并不算出人意料,为了证明这个小分子同样有潜力治疗人类的心力衰竭,研究人员利用人诱导性多能干细胞(iPSCs)来产生心肌细胞(iPSCs-CM),实验证明,JQ1可以阻断激动剂(内皮素-1,ET-1)-诱导的心肌细胞肥大,且效果具有剂量依赖性。这表明JQ1很有希望也能有效地作用于人类心力衰竭患者。JQ1可以阻断激动剂(ET-1)-诱导的心肌细胞肥大。图片来源:Sci. Transl. Med.那么,JQ1又是如何起作用的呢?Haldar介绍说,“一直以来人们都知道炎症和纤维化对心力衰竭的发展至关重要,但要找到以此二者为靶点的药物并不容易。”他们怀疑JQ1让人赞叹的治疗效果正是与这二者相关。通过对动物模型和人类iPSC-CMs进行的综合转录组学分析显示,JQ1抑制BRD4可以阻断常见病理基因调控程序的反式激活,这涉及了与心肌的炎症和纤维化相关的NFκB和TGF-β信号网络。JQ1可阻断心力衰竭小鼠模型中相关基因的反式激活。图片来源:Sci. Transl. Med.JQ1可阻断iPSCs-CM中相关基因的反式激活。图片来源:Sci. Transl. Med.慢性耐力运动训练可以导致正常的生理性心肌生长,改善受损的心肌,JQ1会不会抑制这一正常的生理过程?为此,研究人员进行了小鼠游泳实验。实验结果让人松了一口气,JQ1对BRD4的抑制并不会影响小鼠运动过程中正常的心肌生长。Haldar博士总结说,“炎症和纤维化伴随着心力衰竭,而利用JQ1抑制BRD4的功能则可以起到一石二鸟的作用,同时阻止炎症和纤维化,从而有效地治疗心力衰竭。”鉴于JQ1相关药物已经进行了癌症临床试验,因此其在人体中的安全性和有效性已被验证,这对于开发新心力衰竭药物来说是个利好消息,病人有望更快地得到更有效地治疗。再翻回头说抗癌,以往的抗癌药物往往会引起心脏毒性,而本文的工作证明,JQ1这种BRD4抑制剂很可能是一类对人类心脏有保护作用的抗癌药物,或许在抗癌领域也有希望大展身手。【X-MOL提示:本文内容仅属学术研究范畴,不能指导临床药物的使用。任何药物的服用与停用,都应以医嘱为准!】原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):BET bromodomain inhibition suppresses innate inflammatory and profibrotic transcriptional networks in heart failureSci. Transl. Med., 2017, DOI: 10.1126/scitranslmed.aah5084部分内容编译自:https://gladstone.org/about-us/news/cancer-cardiac-connection-illuminates-promising-new-drug-heart-failure(本文由冰供稿)X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

Science子刊:血小板成癌细胞的“保护伞”?

要问血小板的主要生理学功能,大家可能都知道是凝血和止血。然而,随着研究的深入,科学家们逐渐意识到血小板的功能可能不仅仅是这些。研究表明,血小板在炎症反应、血栓形成等生理和病理过程中有重要作用。而最近的一项研究表明,血小板通过抑制T细胞能帮助癌细胞“躲过”免疫系统的追杀,成为癌细胞为害人间的“保护伞”。来自美国南卡罗莱纳医科大学(MUSC)的Zihai Li教授率领其团队,首次发现血小板会释放活化的转化生长因子β(TGF-β)来抑制T细胞的功能,从而帮助癌细胞在免疫系统的攻击下生存下来。近年来的研究表明活化的TGF-β对于肿瘤生长具有重要意义,而他们发现血小板可表达糖蛋白A主导重复序列(GARP),这种蛋白能够捕获和激活TGF-β,这使得血小板变成了活化的TGF-β的主要来源。此外,实验表明,添加常见的抗血小板药物如阿司匹林,可大大提高T细胞疗法对黑色素瘤的疗效。相关成果发表于Science Immunology 杂志上。Zihai Li教授。图片来源:MUSCZihai Li教授是MUSC微生物和免疫学系的主任,主要研究肿瘤逃避免疫系统的机理。研究人员以血小板缺陷的小鼠为对象,给其接种黑色素瘤,他们发现,相比于有正常血小板的小鼠,这种黑色素瘤生长得更慢,且T细胞更加活跃。血小板抑制T细胞活性。图片来源:Sci. Immunol.接下来,研究人员从人和小鼠抽取的血液中分离血小板和T细胞。他们发现,在这两种情况下,具有凝血活性的血小板会抑制T细胞活性。他们进一步使用质谱法鉴定了这种可抑制T细胞的分子是TGF-β。GARP在激活TGF-β中起着关键作用。图片来源:Science Immunology可是血小板是如何激活TGF-β的呢?在没有GARP基因的小鼠中,T细胞疗法对黑素瘤更为有效。这意味着如果血小板没有通过GARP捕获并激活TGF-β,将不能抑制T细胞。最后,研究人员在T细胞疗法中加入两种抗血小板药物的阿司匹林和氯吡格雷,他们发现,受治疗的小鼠存活时间更长,而且复发更少。这项研究可以指导未来治疗黑色素瘤和其他癌症,并为在过继性T细胞疗法(adoptive T cell therapy)临床试验中测试抗血小板药物提供了实验数据支持。目前,治疗黑色素瘤的标准治疗方案是检查点抑制剂,而不是过继性T细胞疗法。当然,小鼠身上的实验结果能否在人类身上重现尚属未知,还需要更多工作要做。Zihai Li教授打算测试某些检查点抑制剂与阿司匹林、氯吡格雷联合治疗晚期癌症患者的效果,目前正在等待临床试验的批准。【X-MOL提示:本文内容仅属学术研究范畴,不能指导临床药物的使用。任何药物的服用与停用,都应以医嘱为准!】原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Platelets subvert T cell immunity against cancer via GARP-TGFβ axisSci. Immunol., 2017, DOI: 10.1126/sciimmunol.aai7911部分内容编译自:https://medicalxpress.com/news/2017-05-platelets-suppress-cell-immunity-cancer.html(本文由冰供稿)X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

双管齐下的靶向策略有效治疗类风湿性关节炎

作为一种自身免疫性疾病,类风湿性关节炎(Rheumatoid arthritis, RA)通常会造成关节滑膜炎以及关节组织破坏侵蚀,严重情况下会进一步引起关节畸形甚至残废,其病变通常会累及全身组织与器官。目前RA在全球范围的发病率高达1%,其危害不容小觑。近日,四川大学华西药学院的孙逊教授(点击查看介绍)团队采用一种小干扰RNA(siRNA)与地塞米松(Dex)的联合治疗策略,用于阻断RA病程进展中的关键通路,以达到控制并有效缓解RA的目的。目前针对RA治疗的药物大剂量或是长期应用时,常常会引起严重的副作用或是患者的低响应性。RA病情的控制和缓解依赖于药物向炎症关节的靶向递送以及有效的治疗靶点选择。因此,根据炎症微环境的病理特征设计递送载体并选择RA发病机制中的关键靶点加以控制显得尤为重要。孙逊教授团队设计并构建了一种混合胶束给药体系,其中少量的阳离子材料(PCL-PEI)可以保证核酸药物包载而不会引起毒性,较高比例的PEG外层可实现有效的体内长循环。合适的纳米尺度使得该胶束体系可以通过ELVIS效应(炎症部位增加的血管通透性和炎性细胞摄取作用)靶向并驻留在炎症关节。作为炎症反应的主要效应细胞,大量巨噬细胞会从血液中募集到病变关节并激活,产生各种炎症因子从而加剧炎症反应与组织损伤。其中NF-kB信号通路的激活对于巨噬细胞的活化与炎症因子的产生发挥着重要作用。因此,孙逊团队采取了基因沉默策略以阻断NF-kB亚基p65的表达,辅以地塞米松抑制NF-kB的转录,两种药物可以同时包载于混合胶束中,通过炎症部位的靶向递送协同地实现关键靶点的阻断。该联合治疗策略可以有效地将激活的巨噬细胞从促炎型的M1型向抑炎型的M2型转化,在胶原性关节炎的小鼠模型上,成功地缓解关节肿胀并降低炎症因子的表达,显示出最优的治疗效果和最低的毒副作用。这一成果发表在近期的Biomaterials 上。该论文作者为:Qin Wang, Hao Jiang, Yan Li, Wenfei Chen, Hanmei Li, Ke Peng, Zhirong Zhang, Xun Sun原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Targeting NF-kB signaling with polymeric hybrid micelles that co-deliver siRNA and dexamethasone for arthritis therapyBiomaterials, 2017, 122, 10, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2017.01.008导师介绍孙逊http://www.x-mol.com/university/faculty/40472X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

40个与智力有关新基因现形

英国《自然·遗传学》杂志日前在线发表的一篇论文称,荷兰科学家对智力全基因组进行了大规模的关联分析,在与智力相关的特定基因组区域发现了40个与智力有关的新基因。最新研究能为大脑功能和认知带来新的生物学启示,并有助于定义智商的遗传成分。基因在人类智力水平领域占据重要地位,但科学家在2015年才首次确认人脑中两个与智商有关的特定基因簇,它们由相互关联的基因组成,共同影响人的认知、记忆、注意力和推理等方面。科学家们相信,与智力相关基因的发现,不仅可以加深人类对智力的理解,未来还将有助于开发更高效的神经系统疾病疗法。在最新研究中,荷兰阿姆斯特丹自由大学的研究人员丹尼勒·波瑟乌玛及其同事,对与智力指标有关的遗传数据进行了分析——即对智力全基因组关联分析(GWAS)的元分析。所谓元分析是一种定量分析手段,其运用一些测量和统计分析技术,总结和评价已有的研究,在元分析过程中,判定研究结果最为重要。在本次调查中,团队的分析对象为近8万名欧洲人后裔,包括儿童组和成人组。样本容量前所未有,研究人员能够从中分析识别出大量新基因。最终,研究团队成功阐明了与智力有关的特定基因组区域。他们使用全基因组关联分析方法找到了22个与智力有关的基因,其中11个为首次发现,另外还发现了29个新基因。研究人员表示,这些基因主要在人脑中表达,且与细胞发育通路有关。最新信息能帮助科学家们将未来一段时间的研究重点放在这些具体基因和通路上,以期尽早理解人类智力和大脑发育的秘密。http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-05/23/content_369905.htm?div=-1 http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.3869.html

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