美国加州拉霍亚讯——当你服用药物时，它在体内实际去了哪里？对于大多数药物，科学家只能对此做出有根据的猜测。传统方法可以测量肝脏等器官中药物的浓度，但无法精确定位药物结合的具体细胞——或揭示药物发挥作用的意外位置。
“通常，在药物进入体内后，我们几乎不知道它如何与其靶点相互作用，”斯克里普斯研究所N. Paul Whittier讲席教授、霍华德·休斯医学研究所研究员叶立说，“直到现在，这一直是个黑箱。”
叶立及其同事开发了一种突破性的成像技术，可以照亮整个小鼠体内药物结合的单个细胞。在今天发表在《细胞》杂志上的一项研究中，他们使用名为vCATCH的方法绘制了两种广泛使用的癌症药物的结合图谱。结果显示，一种药物在心脏和血管中意外结合，可能解释了其心血管风险。在药物开发过程中使用该方法测试新药的结合位点，有助于最小化此类风险。
临床试验可以验证药物是否有效治疗疾病并确定常见副作用，但药物在体内每个细胞中的具体作用一直无法获知。以往的药物追踪方法依赖于将组织研磨后分析或使用低分辨率技术如放射性成像。在这两种情况下，研究人员只能大致了解药物迁移至哪些器官，但无法精确到具体细胞。
2022年，叶立实验室推出了CATCH技术：一种方法，可照亮大脑等器官表面药物结合的精确细胞。在新工作中，他们扩展了该方法，使其适用于包括大脑、心脏和肺脏等较大器官深部在内的全身各处。
CATCH方法适用于共价药物，即与靶点形成永久键的药物。科学家在将这些药物注射到小鼠体内前，添加一个微小的化学手柄。药物随后如常结合，收集组织后，研究人员用荧光标签和铜分子处理，从而快速发生化学反应将标签添加到药物的手柄上，揭示每个药物分子的最终位置。这种高度选择性的“点击化学”反应，像乐高积木一样将化学物质紧密结合，是由斯克里普斯研究所化学教授K. Barry Sharpless开发的，他因这项发明获得了2022年诺贝尔化学奖。
为了使vCATCH在器官系统中更广泛地工作，叶立及其同事必须克服一个主要障碍：组织中的蛋白质吸收了化学反应所需的铜，阻止其深入器官内部。只有器官表面的药物结合位点才会显示荧光。研究小组开始用过量铜预处理组织以阻断这些结合位点，然后对组织进行多达八轮铜和荧光标签的浸泡处理。在大多数成像方法中，这种重复处理会产生背景噪声，因为成像剂会在非特异性结合位点积累。而在vCATCH中，它之所以有效，是因为化学反应具有极高的选择性。
“点击化学本质上具有高度特异性和效率，”叶立解释道，“这使我们能够在不引起脱靶效应的情况下完全饱和系统。”
由于该成像技术为每只小鼠生成了数太字节的数据，研究团队与工程师合作开发了基于人工智能的分析流程，能够自动识别大脑和体内结合药物的细胞。
为测试新方法，叶立实验室绘制了两种靶向癌症药物的结合图谱：用于治疗血液癌症的伊布替尼（亿珂），以及用于治疗非小细胞肺癌的阿法替尼（吉泰瑞）。全身体图谱证实，阿法替尼如预期广泛分布于肺组织。伊布替尼则显示出更令人惊讶的模式。这种已知会导致心律不齐和出血问题的药物，不仅与其在血细胞中的预定靶点结合，还与肝脏、心脏组织和血管中的免疫细胞结合——为理解其副作用提供了线索。
“现在研究人员可以更精确地观察这些细胞，并理解为什么伊布替尼会与它们结合，”叶立说。
该应用远不止于这两种癌症药物。叶立团队正在使用vCATCH研究癌症药物是否选择性地更强地靶向肿瘤细胞而非健康组织，并调查抗抑郁药和抗精神病药等药物在大脑中结合的细胞类型。
“这对于测试晚期候选药物以确保它们强效结合靶点且在其他器官中没有意外结合可能是一个极其有价值的工具，”他说。
除叶立外，该研究“Mapping cellular targets of covalent cancer drugs in the entire mammalian body”的作者还包括斯克里普斯研究所的郑元彭、韦琳娜·梁、凯琳·王、沈汉兵、洛根·西格瓦、亚历山德拉·塞尔克、克里斯托弗·格林、梅莱纳·延德、孙森汉、吴鹏和本杰明·克雷瓦特；桑尼布鲁克研究所的艾哈迈德雷扎·阿塔普尔、安东尼·里纳尔迪和马杰德·古布兰；斯坦福大学的玛丽亚·多洛雷斯·莫亚-加松和乔纳森·朗；以及加州大学旧金山分校的克莱尔·拉梅尔和贾维德·莫斯莱希。
本工作得到了美国国立卫生研究院（CA281918、DK128800、DA059393、R01HL141086、R01HL155990、R01HL156021、P01HL141084、T32GM007198-49、R35GM139643）、霍华德·休斯医学研究所、Chan Zuckerberg倡议、Dorris学者奖、斯坦福吴蔡人类表现联盟以及Dana、Whitehall、Baxter和Abide Vividion基金会的资助。
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