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生命科学学院 新闻动态
北京时间2025年5月29日，西湖大学生命科学学院、西湖实验室党波波团队与哈佛医学院Nicholas F. Polizzi教授团队、加州大学旧金山分校William F. DeGrado教授团队在Nature Biomedical Engineering杂志发表了题为“Rapid clearance of achiral small molecule drugs using de novo designed proteins and their cyclic and mirror-image variants”的研究论文。
该研究基于从头设计的阿哌沙班（Apixaban）结合蛋白ABLE，开发了镜像蛋白D-ABLE、环化蛋白CABLE，并证实这些蛋白均能在小鼠体内发挥解毒剂功能，促进阿哌沙班清除。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-025-01404-w
文章截图：
小分子结合蛋白在代谢物检测、药物递送和解毒等方面具有重要应用。但由于小分子免疫原性低、天然蛋白生产困难、以及其体内行为不可预测，开发有明确体内功能的这类蛋白一直具有挑战性。合作团队先前设计了针对小分子药物阿哌沙班的结合蛋白ABLE，然而ABLE体内药代动力学、药物结合和药物清除能力未知。在本研究中，研究团队采用环化和镜像策略来改造ABLE蛋白，并且评估其在小鼠中清除药物小分子的能力。
为了获得ABLE的环化变体（CABLE），研究团队设计了一段loop来连接ABLE的N端和C端，并采用内含子介导的天然化学连接策略来制备蛋白骨架首尾相连的环化变体（图1f）。由于阿哌沙班的分子结构缺乏手性中心，ABLE的镜像变体（D-ABLE）预期将以相同的亲和力与阿哌沙班结合。D-ABLE是通过天然化学连接将三个固相合成的多肽片段一锅法组装而成（图1f）。
图1. 阿哌沙班解毒剂的设计与制备
制备ABLE蛋白及其变体后，研究团队通过光谱滴定实验检测其与阿哌沙班的亲和力，结果表明三种蛋白与阿哌沙班的亲和力相似，KD为2.7-6.8μM（图2b-d）。圆二色谱（CD）结果表明三种蛋白均为α螺旋构象，且D-ABLE的倒置光谱图证明其为镜像蛋白（图2e）。此外，研究团队通过外消旋结晶策略成功地获得了阿哌沙班结合的D-ABLE蛋白结构，其由4个左手螺旋组成，与阿哌沙班的结合位点与ABLE一致（图2g-h）。
图2. ABLE、D-ABLE及CABLE的生物物理性质表征
接下来，研究团队对ABLE、CABLE和D-ABLE进行了体外稳定性和体内药代动力学研究。结果表明，三种蛋白在血清和血浆中均高度稳定，但在胰蛋白酶或胃蛋白酶处理等苛刻条件下显示出区别（稳定性D-ABLE＞CABLE＞ABLE）。此外，三种蛋白在小鼠内半衰期均小于20分钟，作为解毒剂具有快速解毒的潜力（图3）。
图3. ABLE、D-ABLE及CABLE的体外稳定性与体内药代动力学表征
随后，研究团队通过检测阿哌沙班清除速率来评估ABLE、CABLE和D-ABLE是否能作为解毒剂在体内发挥功能。通过比较血浆中阿哌沙班浓度与时间的曲线下总面积（AUC），这三种蛋白均能显著促进阿哌沙班的清除（图4a）。值得一提的是，免疫原性实验结果表明ABLE和CABLE诱导小鼠产生了抗体，而D-ABLE未诱导产生任何可检测的抗体（图4d）。D-ABLE的这种非免疫原性表明了其在长期治疗应用方面的明显优势。
图4. ABLE、D-ABLE及CABLE加速清除小鼠体内阿哌沙班
综上所述，研究团队成功地将ABLE、CABLE、D-ABLE设计为能够促进阿哌沙班体内清除的小分子结合蛋白，这突出了体内功能导向的蛋白从头设计的潜力。该方法允许蛋白质设计者以类似化学家传统合成小分子药物的方式从头开发生物活性蛋白质，为开发具有量身定制的药物结合能力的蛋白质疗法铺平了道路。
西湖大学生命科学学院2019级博士研究生陈桂林和2021级博士研究生赵恺为论文共同第一作者，党波波研究员为论文通讯作者，加州大学旧金山分校William F. DeGrado教授和哈佛医学院Nicholas F. Polizzi助理教授为共同通讯作者。西湖大学刘丹助理教授，清华大学卢磊助理教授为本研究提供了大力支持与帮助。本研究得到国家自然科学基金，浙江省重点研发项目资助。
党波波团队致力于运用化学手段开发针对复杂生物体系的研究工具，并以重要蛋白为靶点开发新型蛋白质、多肽类大分子药物。党波波团队长期招聘化学、分子生物学方向的博士后、研究助理等科研人员，真诚期待您的加入！
电子邮箱：dangbobo@westlake.edu.cn
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