每年，蛇咬伤导致超过10万人死亡，并永久性致残数十万人，世界卫生组织的估计表明。最新科学研究借助尖端技术，有望缓解这一威胁。研究人员成功设计了两种蛋白质，用以中和一些最致命的蛇毒毒素，这项研究于1月15日发表在《自然》杂志上。这些“从头设计”的蛋白质——自然界中不存在的分子——在实验室实验中与致命蛇毒成分混合并注射给小鼠后，保护了100%的小鼠免于死亡。
“我认为我们可以彻底改变蛇咬伤的治疗方法，”该研究的主要作者、华盛顿大学David Baker实验室的生物化学家Susana Vázquez Torres说。Baker因其新蛋白质的研究获得了2024年诺贝尔化学奖。本周的出版物是该研究领域的延续。“当然，这项研究并没有解决所有问题，但它展示了我们可以在传统方法的基础上更快地开发分子——而且它确实有效。”Vázquez Torres告诉《大众科学》。她补充说，这种方法可能导致比现有疗法更便宜、更安全、更有效的补救措施。
“这是一项出色的工作，”斯克里普斯研究所免疫学和微生物学助理教授Joseph Jardine评价道。Jardine未参与这项新研究，但之前曾发表过关于开发合成抗蛇毒药物的研究。他指出，这项新研究不仅展示了近年来蛋白质设计的进步，还带来了医学上的令人兴奋的实际进展。
尽管蛇咬伤造成了巨大损失，但一个多世纪以来，抗蛇毒治疗一直依赖于从接种亚致死剂量蛇毒的马或其他动物身上收集的抗体。这些抗蛇毒药物虽然挽救了许多生命，但也存在一些严重缺点。首先，它们昂贵且难以生产，因为生产过程涉及维护动物。此外，由于依赖不完美的免疫系统，抗蛇毒药物的质量参差不齐，对抗某些毒素的效果较差，尤其是复杂蛇毒中的最小成分。它们还会引发过敏反应和其他不良副作用，并且由于是生物制品，对温度非常敏感，需要冷藏储存和运输，增加了成本和可及性难度。在蛇咬伤特别常见的全球南方国家的农村地区，治疗尤其困难。
相比之下，新设计的蛋白质在更广泛的温度范围内稳定，可以使用酵母等微生物大规模生产，可能会引发较少的副作用，并且更容易微调和保持一致性。“这些小型从头设计的蛋白质有许多真正有趣的优势，包括热稳定性、制造成本低，以及它们可以以抗体无法做到的方式靶向特定目标，”Jardine解释道。有一天，这种产品可以通过类似于“EpiPen”的设备提供，在最需要的野外环境中随时可用。
蛇毒由多种不同的毒素混合而成。Vázquez Torres及其同事专注于三指毒素（3FTx），这是一种传统抗蛇毒药物通常表现不佳的致命化合物。3FTx在眼镜蛇、黑曼巴蛇和珊瑚蛇等眼镜蛇科蛇类的毒液中尤为常见。这些毒素会破坏哺乳动物的身体，有些是麻痹性神经毒素，有些则会破坏细胞和损伤组织。
科学家们寻求识别三种代表性目标毒素的解毒蛋白质：短链α神经毒素、长链α神经毒素和细胞毒素。这三种代表性毒素都经过深入研究，因此科学家们一开始就了解其复杂的形状。基于这些信息，他们可以确定需要阻断的关键结合位点以使每种毒素失活。他们将这些信息输入到名为RoseTTAFold扩散的AI工具中，这是一种类似于Dall-E和Midjourney的图像生成器，但专门训练输出符合请求标准的蛋白质结构模型。在这种情况下，标准是毒素结构和选定的结合“热点”，研究人员希望阻塞这些结合位点。AI提供了数十种可能的中和蛋白质建议（以详细的蛋白质配置图形式），就像为神秘锁具制作钥匙一样。
为了进一步了解这些理论蛋白质并解析其组成，Vázquez Torres、Baker及其合著者部署了第二种生成式AI模型ProteinMPNN，该模型旨在生成可行的氨基酸组合，以折叠在一起复制扩散模型的输出。蛋白质折叠复杂且难以从氨基酸序列预测，反之亦然，很难知道哪种氨基酸序列会导致何种折叠形状。ProteinMPNN加速了这一计算过程。然后，他们使用第三种预测AI工具AlphaFold2独立预测每个氨基酸字符串的实际折叠方式，从而双重检查前两个模型的工作。在每一步之间，研究人员用自己的专业知识筛选掉无效选项，缩小候选池至最佳选择。
在AI生成的输出中，研究人员发现了三种蛋白质候选物（蓝色、紫色、粉色）与每种毒素（米色）结合并中和关键结合位点。研究作者将最有前途的氨基酸链反向翻译成DNA序列，然后使用修饰过的细菌大量生产蛋白质。他们在含有人体肌肉和皮肤细胞的培养皿实验中测试了最佳候选物，发现这些蛋白质对所有三种目标毒素均有效。这进一步缩小了候选范围，每种类别留下一个领先者。科学家们随后在一系列小鼠实验中测试了这些蛋白质。
在初步测试中，他们的抗细胞毒素候选物未能减少与中毒相关的皮肤病变，因此研究人员停止了对其的测试。但另外两种候选蛋白质效果显著。当直接与目标毒素混合并注射给小鼠时，两种抗神经毒素蛋白质均防止了所有小鼠死亡（没有添加保护性蛋白质的情况下，100%的小鼠死亡）。为了模拟治疗咬伤的过程，科学家们测试了先注射毒素再注射候选蛋白质的情况。一种蛋白质在毒素注射后30分钟内给药时，100%的小鼠存活；另一种蛋白质在毒素注射后15分钟给药时防止了80%的死亡，在半小时后给药时防止了60%的死亡。
“看到这些蛋白质在动物体内立即起效，真是令人震惊。我们不需要做任何优化，”Vázquez Torres说。“第一次尝试就找到有效的物质，这是非常惊人的。”此外，由于AI的计算辅助，这项研究从构思到提交发表数据仅用了大约一年的时间。“我认为这是一篇科学论文的记录时间，”她说——展示了机器学习如何加速研究过程。
这些发现只是最近一波抗蛇毒研究新进展中的最新成果，如Jardine的合成抗体和重新利用的药物。世界卫生组织于2017年将蛇咬伤列为被忽视的热带疾病，优先考虑蛇咬伤的更多投资和公共卫生考虑。自那时以来，研究源源不断。“这为我们解决问题的武器库增添了另一项工具。[这些蛋白质]将有独特的应用，而抗体也有其独特之处，”Jardine说。
然而，在从头设计的蛋白质获得人类使用的批准之前还有很长的路要走。小鼠试验未显示任何明显的负面副作用，但这些蛋白质在体内的作用及其安全性仍未知。它们是全新的分子，需要进行广泛的筛选和测试，以检查脱靶反应和不良影响，Vázquez Torres和Jardine都指出。“我们需要证明这些分子是安全的。我们需要真正了解它们的机制，”Vázquez Torres说。可能需要数年时间才能有设计师蛋白质抗蛇毒药物进入市场。
如果这些蛋白质最终上市，Vázquez Torres及其同事发现的蛋白质还不足以应对所有蛇毒。它们只针对某些蛇毒中的两种孤立毒素。很可能需要大约十种精心设计的蛋白质混合在一起才能中和完整的蛇毒，Vázquez Torres说。在寻找广谱或通用抗蛇毒药物的过程中，科学家们仍在继续探索。
尽管如此，使用微生物按需生产自然界中不存在的蛋白质的前景让科学家们感到振奋。而且，兴奋不仅仅局限于抗蛇毒药物。从头设计的蛋白质有一天可能会为各种疾病提供替代疗法。这些氨基酸结构介于生物药物（由或源自活体生物）和化学合成的小分子药物（如阿司匹林）之间。“你可以想象，这种方法可以解决许多常规方法无法解决的问题，”Jardine说。“这是一种全新的做事方式，我们才刚刚开始触及表面。”
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