摘要：PSI的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的方法，可以擴(kuò)大肉毒桿菌毒素A1(俗稱肉毒桿菌素)作為一種活性物質(zhì)的醫(yī)療用途。
PSI的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的方法，可以擴(kuò)大肉毒桿菌毒素A1(俗稱肉毒桿菌素)作為一種活性物質(zhì)的醫(yī)療用途。他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出類似抗體的蛋白質(zhì)，可以加速這種酶對(duì)神經(jīng)信號(hào)傳遞的作用。舉例來(lái)說(shuō)，這表明肉毒桿菌毒素可能能夠比以前更快地緩解疼痛。這項(xiàng)研究現(xiàn)已發(fā)表在該雜志上Nature Communications。
肉毒桿菌神經(jīng)毒素A1，更廣為人知的商標(biāo)是肉毒桿菌，實(shí)際上是一種由細(xì)菌產(chǎn)生的神經(jīng)毒素。它作為一種化妝品獲得了廣泛的公眾意識(shí)。許多人把它注射到皺紋中，讓他們看起來(lái)更年輕。這種物質(zhì)阻斷了從神經(jīng)到肌肉的信號(hào)傳遞，從而放松肌肉，使面部特征看起來(lái)平滑。鮮為人知的是:肉毒桿菌素也經(jīng)常用于治療藥物中，用于治療可追溯到肌肉痙攣或神經(jīng)信號(hào)錯(cuò)誤的疾病，包括疼痛、痙攣、膀胱無(wú)力、磨牙和錯(cuò)位，例如眼睛。肉毒桿菌素甚至被用于治療胃癌，以阻斷迷走神經(jīng)，從而減緩腫瘤的生長(zhǎng)。
圖1 DARPin促進(jìn)肉毒桿菌神經(jīng)毒素A1作用的更快發(fā)作
在任何治療中，以非常有針對(duì)性的方式和謹(jǐn)慎的劑量使用這種高效藥物是至關(guān)重要的，因?yàn)槿舛緱U菌毒素是所有天然神經(jīng)毒素中最有效的，它可能導(dǎo)致臨床上稱為肉毒中毒的危險(xiǎn)癱瘓。只要靜脈注射100毫微克左右就足以殺死一個(gè)人，因?yàn)檫@種毒素會(huì)使呼吸肌和其他肌肉癱瘓。
不同種類的肉毒桿菌
肉毒桿菌神經(jīng)毒素被分為7個(gè)所謂的血清型組，用字母A到G來(lái)表示。化妝品中使用的肉毒桿菌毒素來(lái)自第一組。確切地說(shuō)，它被指定為亞型A1。眾所周知，另外三種血清型——B型、E型和F型——也會(huì)導(dǎo)致人體肉毒中毒，其中E型和F型的作用速度明顯快于A型和B型，但作用時(shí)間短于A型和B型。效果在幾小時(shí)后就會(huì)起作用，持續(xù)幾周，這為疼痛治療和整形外科等領(lǐng)域開(kāi)辟了重要的選擇。C型和D型對(duì)鳥類等一些動(dòng)物有效;到目前為止，還沒(méi)有G型肉毒桿菌中毒的病例。
血清型主要由不同的肉毒桿菌菌株產(chǎn)生。這些微生物是厭氧繁殖的，也就是說(shuō)，在沒(méi)有氧氣的情況下，它們主要存在于土壤、海洋和河流沉積物中。如果它們進(jìn)入食品并儲(chǔ)存在密封容器中，就像保存產(chǎn)品一樣，就有被毒素污染的風(fēng)險(xiǎn)。食用它會(huì)導(dǎo)致肉毒中毒。然而，這種疾病很少發(fā)生;在過(guò)去的十年里，瑞士每年只有一到兩個(gè)病例。
令人驚訝的結(jié)果
在一個(gè)研究項(xiàng)目中，由PSI生物分子研究實(shí)驗(yàn)室的Richard Kammerer領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)想要調(diào)查是否有可能影響毒素的作用。為此，我們與蘇黎世大學(xué)的生物化學(xué)家Andreas Plückthun一起生產(chǎn)了25個(gè)所謂的DARPins。
DARPins是人工制造的小蛋白質(zhì)，其作用與抗體相似。它們用于治療和診斷以及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究。
他們的想法是通過(guò)切割特定的蛋白質(zhì)，找到選擇性地與肉毒桿菌A1血清型的所謂催化區(qū)域結(jié)合的DARPins，這部分酶負(fù)責(zé)對(duì)神經(jīng)產(chǎn)生影響。“我們預(yù)計(jì)DARPins會(huì)抑制這一功能。在體外——也就是說(shuō)，在試管中的單個(gè)樣本上——我們已經(jīng)確定了一種合適的候選藥物，可以限制肉毒桿菌毒素的功能，”Kammerer說(shuō)。
通過(guò)PSI的瑞士光源SLS的研究，研究人員能夠精確地觀察到DARPin和催化結(jié)構(gòu)域的復(fù)合物，直到分子水平，并找出DARPin如何阻止裂解。但是，當(dāng)研究人員與意大利帕多瓦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，在細(xì)胞培養(yǎng)中測(cè)試這種DARPin時(shí)，一種完全不同的效果——實(shí)際上是相反的——突然變得明顯起來(lái):肉毒桿菌毒素的毒性作用——對(duì)神經(jīng)信號(hào)傳遞很重要的蛋白質(zhì)的切割——比平時(shí)更快地起作用。
圖2 DARPin-F5對(duì)BoNT/A1和重組LC/A1的酶活性的抑制作用
“起初，我們認(rèn)為我們做錯(cuò)了什么，”該研究的第一作者、PSI生物分子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Oneda Leka說(shuō)。但進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)矛盾的發(fā)現(xiàn):肉毒桿菌酶的毒性不但沒(méi)有減弱，反而加速了。
現(xiàn)在，研究人員用真正的肌肉——小鼠的橫膈膜——重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這些細(xì)胞在營(yíng)養(yǎng)液中可以保存很長(zhǎng)時(shí)間，是測(cè)試神經(jīng)毒素影響的理想模型。這里的結(jié)果也表明，使用DARPin后，毒素的麻痹效果比使用DARPin快兩倍多。
肉毒桿菌療法的新選擇
現(xiàn)在最大的問(wèn)題是:為什么會(huì)這樣?可能的解釋是非常復(fù)雜的生物化學(xué)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是DARPins實(shí)際上以一種方式破壞毒素的穩(wěn)定，使它們更快地被運(yùn)送到神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)部。因此，毒素會(huì)更快地起作用。
“出于這個(gè)原因，我們認(rèn)為DARPin可以擴(kuò)大肉毒桿菌神經(jīng)毒素的可能用途范圍，”O(jiān)neda Leka說(shuō)。盡管研究人員沒(méi)有在本研究的框架內(nèi)進(jìn)行任何比較測(cè)試，但似乎含有DARPin的肉毒桿菌神經(jīng)毒素A1比沒(méi)有抗體的A1起作用要快得多。與此同時(shí)，效果的持續(xù)時(shí)間比E和f的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)得多。因此，這種DARPin的添加提供了一種介于血清型A和血清型E和f之間的中間變體。這一結(jié)果出人意料，為治療多種疾病開(kāi)辟了新的可能性。Richard Kammerer說(shuō):“在止痛藥中，一種添加劑可以加速一種長(zhǎng)效的、非常有效的藥物的效果，這可能是我們感興趣的。”
參考資料
[1] A DARPin promotes faster onset of botulinum neurotoxin A1 action
摘要：PSI的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的方法，可以擴(kuò)大肉毒桿菌毒素A1(俗稱肉毒桿菌素)作為一種活性物質(zhì)的醫(yī)療用途。
PSI的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的方法，可以擴(kuò)大肉毒桿菌毒素A1(俗稱肉毒桿菌素)作為一種活性物質(zhì)的醫(yī)療用途。他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出類似抗體的蛋白質(zhì)，可以加速這種酶對(duì)神經(jīng)信號(hào)傳遞的作用。舉例來(lái)說(shuō)，這表明肉毒桿菌毒素可能能夠比以前更快地緩解疼痛。這項(xiàng)研究現(xiàn)已發(fā)表在該雜志上Nature Communications。
肉毒桿菌神經(jīng)毒素A1，更廣為人知的商標(biāo)是肉毒桿菌，實(shí)際上是一種由細(xì)菌產(chǎn)生的神經(jīng)毒素。它作為一種化妝品獲得了廣泛的公眾意識(shí)。許多人把它注射到皺紋中，讓他們看起來(lái)更年輕。這種物質(zhì)阻斷了從神經(jīng)到肌肉的信號(hào)傳遞，從而放松肌肉，使面部特征看起來(lái)平滑。鮮為人知的是:肉毒桿菌素也經(jīng)常用于治療藥物中，用于治療可追溯到肌肉痙攣或神經(jīng)信號(hào)錯(cuò)誤的疾病，包括疼痛、痙攣、膀胱無(wú)力、磨牙和錯(cuò)位，例如眼睛。肉毒桿菌素甚至被用于治療胃癌，以阻斷迷走神經(jīng)，從而減緩腫瘤的生長(zhǎng)。
圖1 DARPin促進(jìn)肉毒桿菌神經(jīng)毒素A1作用的更快發(fā)作
在任何治療中，以非常有針對(duì)性的方式和謹(jǐn)慎的劑量使用這種高效藥物是至關(guān)重要的，因?yàn)槿舛緱U菌毒素是所有天然神經(jīng)毒素中最有效的，它可能導(dǎo)致臨床上稱為肉毒中毒的危險(xiǎn)癱瘓。只要靜脈注射100毫微克左右就足以殺死一個(gè)人，因?yàn)檫@種毒素會(huì)使呼吸肌和其他肌肉癱瘓。
不同種類的肉毒桿菌
肉毒桿菌神經(jīng)毒素被分為7個(gè)所謂的血清型組，用字母A到G來(lái)表示。化妝品中使用的肉毒桿菌毒素來(lái)自第一組。確切地說(shuō)，它被指定為亞型A1。眾所周知，另外三種血清型——B型、E型和F型——也會(huì)導(dǎo)致人體肉毒中毒，其中E型和F型的作用速度明顯快于A型和B型，但作用時(shí)間短于A型和B型。效果在幾小時(shí)后就會(huì)起作用，持續(xù)幾周，這為疼痛治療和整形外科等領(lǐng)域開(kāi)辟了重要的選擇。C型和D型對(duì)鳥類等一些動(dòng)物有效;到目前為止，還沒(méi)有G型肉毒桿菌中毒的病例。
血清型主要由不同的肉毒桿菌菌株產(chǎn)生。這些微生物是厭氧繁殖的，也就是說(shuō)，在沒(méi)有氧氣的情況下，它們主要存在于土壤、海洋和河流沉積物中。如果它們進(jìn)入食品并儲(chǔ)存在密封容器中，就像保存產(chǎn)品一樣，就有被毒素污染的風(fēng)險(xiǎn)。食用它會(huì)導(dǎo)致肉毒中毒。然而，這種疾病很少發(fā)生;在過(guò)去的十年里，瑞士每年只有一到兩個(gè)病例。
令人驚訝的結(jié)果
在一個(gè)研究項(xiàng)目中，由PSI生物分子研究實(shí)驗(yàn)室的Richard Kammerer領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)想要調(diào)查是否有可能影響毒素的作用。為此，我們與蘇黎世大學(xué)的生物化學(xué)家Andreas Plückthun一起生產(chǎn)了25個(gè)所謂的DARPins。
DARPins是人工制造的小蛋白質(zhì)，其作用與抗體相似。它們用于治療和診斷以及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究。
他們的想法是通過(guò)切割特定的蛋白質(zhì)，找到選擇性地與肉毒桿菌A1血清型的所謂催化區(qū)域結(jié)合的DARPins，這部分酶負(fù)責(zé)對(duì)神經(jīng)產(chǎn)生影響。“我們預(yù)計(jì)DARPins會(huì)抑制這一功能。在體外——也就是說(shuō)，在試管中的單個(gè)樣本上——我們已經(jīng)確定了一種合適的候選藥物，可以限制肉毒桿菌毒素的功能，”Kammerer說(shuō)。
通過(guò)PSI的瑞士光源SLS的研究，研究人員能夠精確地觀察到DARPin和催化結(jié)構(gòu)域的復(fù)合物，直到分子水平，并找出DARPin如何阻止裂解。但是，當(dāng)研究人員與意大利帕多瓦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，在細(xì)胞培養(yǎng)中測(cè)試這種DARPin時(shí)，一種完全不同的效果——實(shí)際上是相反的——突然變得明顯起來(lái):肉毒桿菌毒素的毒性作用——對(duì)神經(jīng)信號(hào)傳遞很重要的蛋白質(zhì)的切割——比平時(shí)更快地起作用。
圖2 DARPin-F5對(duì)BoNT/A1和重組LC/A1的酶活性的抑制作用
“起初，我們認(rèn)為我們做錯(cuò)了什么，”該研究的第一作者、PSI生物分子研究實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Oneda Leka說(shuō)。但進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)矛盾的發(fā)現(xiàn):肉毒桿菌酶的毒性不但沒(méi)有減弱，反而加速了。
現(xiàn)在，研究人員用真正的肌肉——小鼠的橫膈膜——重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這些細(xì)胞在營(yíng)養(yǎng)液中可以保存很長(zhǎng)時(shí)間，是測(cè)試神經(jīng)毒素影響的理想模型。這里的結(jié)果也表明，使用DARPin后，毒素的麻痹效果比使用DARPin快兩倍多。
肉毒桿菌療法的新選擇
現(xiàn)在最大的問(wèn)題是:為什么會(huì)這樣?可能的解釋是非常復(fù)雜的生物化學(xué)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是DARPins實(shí)際上以一種方式破壞毒素的穩(wěn)定，使它們更快地被運(yùn)送到神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)部。因此，毒素會(huì)更快地起作用。
“出于這個(gè)原因，我們認(rèn)為DARPin可以擴(kuò)大肉毒桿菌神經(jīng)毒素的可能用途范圍，”O(jiān)neda Leka說(shuō)。盡管研究人員沒(méi)有在本研究的框架內(nèi)進(jìn)行任何比較測(cè)試，但似乎含有DARPin的肉毒桿菌神經(jīng)毒素A1比沒(méi)有抗體的A1起作用要快得多。與此同時(shí)，效果的持續(xù)時(shí)間比E和f的持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)得多。因此，這種DARPin的添加提供了一種介于血清型A和血清型E和f之間的中間變體。這一結(jié)果出人意料，為治療多種疾病開(kāi)辟了新的可能性。Richard Kammerer說(shuō):“在止痛藥中，一種添加劑可以加速一種長(zhǎng)效的、非常有效的藥物的效果，這可能是我們感興趣的。”
參考資料
[1] A DARPin promotes faster onset of botulinum neurotoxin A1 action
