麻省沃尔瑟姆市(Waltham, Massachusetts)的一座钢筋混泥土建筑的二楼,一个实验室冰箱里的塑料盒中,包含着无数种化学分子。这些分子是葛兰素史克制药公司(Glaxo Smith Kline,GSK)合成的带DNA标签的分子,数目达到万亿种——这是银河系恒星数目的10倍。
各大制药公司和生物工程公司都在采用这种DNA编码分子库来迅速筛选能与疾病相关蛋白结合的分子,尤其是能与那些目前难以靶向的蛋白结合的药物。这种筛选方法比传统筛药方式更迅速,更便宜。基础科学研究者也可以使用这种方法来探索基本生物学问题,研究酶、受体和细胞通路。
药物研发的起始步骤往往是:研究人员合成大量化学分子,然后测试这些分子对目标蛋白的结合作用。在多孔板的每个孔里加入目标蛋白,然后分别加入各种药物分子,检测这些分子对蛋白活力的影响。这种方法被称为高通量筛选(high-throughout screening,HTS),主要使用机器自动测试上百万种化学分子,但仍然耗时耗力还费钱,而且不一定凑效。
过去几年来,药物化学家通过用DNA标记化学分子,形成分子的二维码,从而提高药物研发成功率。这些DNA编码分子库具有诸多优点:首先,研究者并不需要单独测试每种分子;而是只需把分子分成各种混合物,然后检测混合物是否对目标蛋白活性有影响。一旦有分子能与目标蛋白结合,它就很容易被认出来——因为可以检测它的DNA二维码。
1992年斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的分子生物学家Sydney Brenner 和化学家 Richard Lerner首次提出DNA编码分子库这一概念。此后,DNA编码分子库一直发展迅猛。2007年,GSK公司以5500万美金收购了一家在DNA标签分子库研究站处于领先地位的公司。瑞士巴塞尔的诺华公司和罗氏公司也建立了内部DNA标签分子库研究项目。多家新兴生物科技公司——包括沃尔瑟姆的X-chem、哥本哈根的Vipergen、剑桥的Ensemble制药公司和瑞士的Philochem——也和学界和工业界合作,迫切希望使用该技术。
“人们现在明白了,DNA编码分子库不是一种时尚,而是可以实现的。” 波士顿阿斯利康公司(X-Chem公司的合作者之一)化学创新中心的执行理事Robert Goodnow这样说到。
DNA编码分子库不会取代高通量筛选:由于一些化合物不能使用DNA编码技术合成,各大公司已在高通量筛选上投入巨资。但DNA编码分子库提供了一个快速有效、低成本的互补方案,帮助寻找与新的或具有挑战性的目标蛋白结合的分子。例如,寻找泛素连接酶——一种将泛素分子连接到目标蛋白的酶、可作为癌症治疗的靶向分子——的结合分子。
图:建立DNA二维码
大即是美
GSK目前拥有世界上最大的DNA编码分子库:GSK的高通量筛选库有200万种分子,而DNA编码分子库有1万亿种分子,是高通量筛选库的50万倍。
建立DNA编码库有几种方式:最大的分子库,如GSK公司,使用 DNA记录法(图:建立DNA二维码)。首先合成化学构建模块,如氨基酸、胺和羧酸,然后通过化学反应,为它们添加不同的DNA二维码。将第二个建构模块加入到混合物中,形成新的小分子,DNA标签延长。通过连接4个构建模块,化学家可创造药物分子。由于建筑模块的种类有上千种,因此潜在的组合数目非常巨大。
与传统高通量筛选相比,化学家必须单独对每个化合物进行检测,而DNA编码库更易于维护和使用。DNA编码库可以存储在一个单一测试管中,而高通量筛选需要使用机器人把每个分子单独放到一个测试管中。
但GSK的经理Chris Arico-Muendel表示,DNA编码库最大的优点,是可合成的分子数量多。对于新或难的目标蛋白,GSK使用DNA编码库和高通量筛选的频率相同,甚至更高。迄今为止,GSK公司使用DNA编码技术合成的最先进的化合物是GSK2256294,能有效阻断环氧化物酶,一种参与脂肪分解的酶。该候选药物是Praecis和GSK的合作成果,已通过1期临床安全实验,将进一步评估其在糖尿病、伤口愈合和慢性阻塞性肺病的治疗中的效果。Arico-Muendel表示,他们很高兴,GSK的DNA编码库能发展这么顺利。
随着化学构建模块的增多,以及连接方式的增多,DNA编码库还会进一步扩大。
X-Chem首席执行官Richard Wagner则认为,在不久的将来,DNA编码库不仅变得更大,也能更快进入临床。传统的药物筛选中,药物化学家有时要花许多年来调整化合物结构,让它们更特异、强效和安全。Wagner表示,可以说,传统筛药只是一场概率游戏。相比之下,基因编码库的大尺寸意味着,按照概率计算,一些化合物更易进入临床。尽管这些化合物仍然需要优化,但更接近理想分子,需要调整的幅度更小。
X-Chem的DNA编码库有1200亿种化合物,并已开始进行实践。仅仅过了一年,他们就筛选出了最先进的候选药物——一种autotaxin抑制剂,能阻断一种磷脂转化成另一种磷脂。X-Chem的子公司X-Rx现在计划在2017年开始纤维变性药物的临床试验。业界对X-Chem的DNA编码分子库的兴趣日益高涨:在过去五年中,该公司已与几大制药巨头,包括罗氏、阿斯利康、拜耳、强生、辉瑞、赛诺菲等签署合作协议,此外还和多个生物工程公司和学术实验室建立合作。
定制合成
其他生物公司则采用另一种方法合成分子库。他们不仅使用DNA标签来标记分子,也使用DNA标签作为合成模板。哈佛大学(Harvard University)的化学家David Liu和他的学生开发了一种DNA模板法,产生环形分子库。环状分子更大、更稳定,能在多个位点与目标分子结合,增强结合反应的特异性。(GSK和X-Chem公司都有很大的DNA编码环形分子库。)
Liu首先产生单链DNA模板,模板包含与化学构建模块的DNA标签互补的序列。然后依次往化学反应容器中加入DNA标记的化学构建模块,依靠DNA碱基配对,使各个构建模块的DNA标签与DNA模板结合。最后的反应是将各个化学构建模块连接成环状,产生环形分子和一个长链DNA标签。
构建DNA模板库需要大量工作,因为研究人员必须为每个分子设计模板,还需要为成千上万种化学构建模块设计DNA标签。因此,DNA模板法产生的分子库小于DNA记录法产生的分子库,但依旧远大于高通量筛选库,并且还拥有其他优点。在DNA模板法中,科学家们一开始就知道最终合成的分子有哪些,他们可以纯化分子库,去掉那些标签错误的分子。这增加了筛药的成功率。相比之下,巨大的DNA记录分子库可能仍然包含标签错误的化合物。万一标签错误的分子与目标蛋白结合,研究者们就需要浪费大段时间在纠错上。
Liu的分子库包含14000种分子,目前已取得一些成功。2014年,他的团队报道,他们发现了一种稳定的、特异的胰岛素降解酶(insulin-degrading enzyme, IDE,与2型糖尿病有关)小分子抑制剂,在此之前,研究者们花了几十年寻找和设计IDE抑制剂。Liu等人开始研究IDE在健康和疾病中的作用,帮助寻找其它IDE抑制剂。目前他们正努力把小分子抑制剂转化成临床药物。
Liu也筛选了100多种目标蛋白的抑制剂。这些蛋白大多急需小分子抑制剂,来促进相关领域的研究。“我没有想到,第一代分子库在7年后的今天,仍然能为我们带来这么多科学发现。在筛选抑制剂上,我们成果累累。到现在为止,我们发现了非常多种分子的抑制剂,数目多到我们无法一一研究。”
尽管如此,Liu仍然不懈发展第二代DNA模板分子库,这个分子库包含256000个环形分子。Liu在2004年创立了Ensemble Therapeutics公司,该公司的分子库现在已有1000万个分子。公司聚焦于寻找免疫检查点蛋白的抑制剂,调节免疫系统和泛素连接酶。他还授权给诺华公司,开发靶向炎症相关蛋白白细胞介素-17的药物。
快速筛选
一旦分子库建立成功,就开始了目标蛋白结合分子的寻找之旅。大多数研究人员依靠“亲和筛选”来找出这些化合物。为此,他们为靶蛋白添加纯化标签,使用纯化标签把结合了分子的蛋白提取出来。最后一步是读取DNA标签,鉴别与蛋白结合的小分子。
这种方法的一个优点是,仅需一点点目标蛋白,就能得到结果。在一个项目中,Arico-Muendel想寻找一种不稳定的、获取量很少的蛋白的结合分子。他说,“把蛋白放在干冰上过夜后,我们很快完成了整个筛选过程。而且我们找到了一些能与该蛋白结合的分子。”高通量筛选是无法完成这种这类实验。因为高通量筛选里,目标蛋白必须稳定且足量,且要在实验开始前往千百个孔里加入目标蛋白。
但亲和筛选也有其不足。笨重的DNA标签有时会阻碍分子与目标蛋白的互动,因此一些有效的分子可能被遗漏。但由于DNA编码库太大,研究者们通常不太在意这些损失。更大的问题是,小分子和标签可以结合到纯化柱上,产生假阳性率。纯化标签也会影响目标蛋白的结构,引入数据误差。
几个研究小组已经找到了解决之道。Vipergen,一家拥有5000万个分子的DNA模板库的生物技术公司,采用“粘合剂陷阱”来解决这个问题。
Vipergen公司的首席执行官Nils Hansen表示,你可以冻结你的蛋白——分子库混合物,切割成非常小的冰块。如果冰块足够小,每个冰块只包含一个靶蛋白。在这个尺度上,即使没有纯化,与该靶蛋白结合的小分子的比例也会增加。Vipergen在水和油乳剂中完成筛选,也能达到同样的效果。此时,微小的水滴的效果等同于小冰块。Hansen感慨,“这超酷!”
目前,DNA编码分子库最适合用于筛选可溶于水、自由浮动的蛋白的抑制剂。但很多重要的药物靶点嵌于细胞表面,因此不可能使用传统的亲和筛选法。例如,大约40%的经认证药物的靶点都是细胞膜上感受胞外刺激的G蛋白偶联受体。Goodnow指出,膜结合蛋白的筛选技术在不断发展,“但仍然不够完善”。
一种解决方法是混合DNA编码分子库与过表达膜结合蛋白靶标的完整细胞。小分子可以与细胞表面的目标蛋白结合。然后,研究者洗去未发生结合的分子,加热细胞,读取DNA标签,鉴定有效的小分子。GSK已经用这种方法来确定一个受体——该受体在精神分裂症和中枢神经系统疾病中起重要作用的强效抑制剂。
X-Chem也在膜结合蛋白药物筛选中获得成功。Wagner说,“以前,我们主要筛选可溶性蛋白的抑制剂。但数据显示,我们现在也能筛选相对困难的膜结合蛋白的抑制剂。” Wagner补充说,随着DNA编码库的不断扩大,以及新的筛选方法的问世,“DNA编码库将成为医药行业药物研发的支柱之一。”
来源:生命奥秘
为你推荐
资讯 又一家脑机接口企业完成融资,连续两轮融资约8亿
近日,上海主动科技有限公司宣布完成4 64亿元人民币天使+轮融资。本轮由高榕创投、国投先导、上海科创投联合领投,康君资本、中网投、国泰海通、浦东创投、上海科创基金、广药...
2026-11-04 17:04
资讯 恒瑞医药双靶点 mRNA 体内 CAR-T 产品获临床试验默示许可
据国家药监局药品审评中心公示信息,11 月 3 日,上海瑞宏迪医药有限公司自主研发的双靶点体内 CAR-T 产品 RGL-208 注射液,获临床试验默示许可,适应症拟定为复发 ...
2026-11-04 15:57
资讯 脑机接口企业阶梯医疗启动上市辅导
11月3日,据证监会官网披露,上海阶梯医疗科技股份有限公司正式向上海证监局办理辅导备案登记,辅导机构为华泰联合证券,辅导协议签署时间为10月30日。
2026-11-04 15:41
资讯 国际SOS发布跨境人员健康与安全六项建议
随着2026年最后两个月国际经贸活动陆续启幕,全球双向商务往来日益密集。与此同时,秋冬季呼吸道疾病、海外部分地区安全局势变化以及极端天气等因素,也为跨境商务人员的健康、...
2026-11-04 15:17
资讯 华东医药自研1类新药卡维列隆氨丁三醇片中国上市申请获受理
适用于在控制饮食和增加体力活动的基础上对成人患者的长期体重控制,初始体重指数(BMI)为:≥28kg m2(肥胖),或≥24kg m2 (超重)并伴有至少一种体重相关的合并症,例如...
2026-11-03 21:38
资讯 新修订《医疗器械生产质量管理规范》 共性问题解答(第一期)
共性问题一:《规范》第四条要求企业应当将风险管理理念贯穿于质量管理体系运行全过程,请问该全过程具体包含哪些环节?
2026-11-03 15:46
资讯 英捷信医疗宣布完成2亿元人民币B轮融资
英捷信医疗专注于自我给药系统研发与制造。公司产品线覆盖胰岛素、GLP-1、生长激素等生物制剂给药装置,包括一次性预填充注射笔、扭簧注射笔、重复注射笔及自动注射器(AIPen)等。
2026-11-03 11:22
资讯 “药品差比价规则”轻松读
在药品采购、挂网、定价、报销的政策体系里,有效成分相同、剂型规格包装不同的药品,它们的价格谁可以高、谁应该低,具体可以相差多少钱,往往都离不开一句:那就按“药品差比...
2026-11-03 09:12
资讯 赛沃替尼+奥希替尼联合疗法在欧洲和日本的上市申请获受理
11 月 2 日,和黄医药发布公告,赛沃替尼+奥希替尼联合疗法在欧洲和日本的上市申请已获得监管机构受理,用于治疗 MET 驱动的 EGFR 突变非小细胞肺癌(NSCLC)。此前 9 ...
2026-11-03 08:39
资讯 《转移性乳腺癌患者的重“质”人生》视频短片与“健康有心”乳腺癌患者生活质量手账同台发布
2026年10月31日,由北京爱谱癌症患者关爱基金会主办的创新赋能 以行践言第六届癌症患者康复支持大会在浙江湖州举行。
2026-11-02 17:38
资讯 湖南将基层住院起付线统一压至200元,转诊不重复收费
近日,湖南省医保局、湖南省发展改革委、湖南省卫生健康委联合印发《关于贯彻落实国家〈关于医保支持基层医疗卫生服务发展的指导意见〉的通知》(湘医保发〔2026〕45号)。今后...
2026-11-02 16:40
资讯 FDA批准首款质粒DNA免疫疗法上市
10月30日,美国FDA批准INOVIO开发的VOCERYQ(INO-3107),用于降低成人复发性呼吸道乳头状瘤(RRP)的手术频率,成为美国首款获批的质粒DNA免疫疗法,这也是DNA药物平台在人体疾...
2026-11-02 14:40
资讯 健之佳因门店租赁模式补缴税款及滞纳金2.65亿元
10月30日晚间,健之佳发布,公司需规范补缴税款及滞纳金合计约2 65亿元。受此影响第三季度归母净利润由盈转亏,单季亏损3 12亿元。
2026-11-02 11:48
资讯 奥精医疗涉嫌财务数据虚假记载被立案
11月1日晚,奥精医疗公告,公司于11月1日收到中国证监会对公司下发的《立案告知书》(编号:证监立案字0142026050号)。因公司涉嫌定期报告等财务数据虚假记载,根据《中华人民共...
2026-11-02 10:53
资讯 华为首个三类医疗器械注册证获批,进军持续动态血糖监测赛道
近日,国家药监局发布的《2026年10月30日医疗器械批准证明文件送达信息》显示,华为取得持续葡萄糖监测系统的医疗器械注册证。申请人为华为终端有限公司,受理号CQZ2502000,注...
2026-11-01 21:11
资讯 卫材将原研品种海乐卫国内权益交由亿帆医药运营
近日,亿帆医药与卫材(苏州)贸易有限公司正式签署商业化合作协议。根据协议约定,亿帆医药将获得卫材贸易旗下原研抗肿瘤药物海乐卫(Halaven,通用名:甲磺酸艾立布林注射液)...
2026-10-31 21:52






