【热点应用】看GCI 技术如何攻克小分子药物实验难题

马尔文帕纳科

2024/03/29 15:33

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本文由马尔文帕纳科医药行业应用专家秦怡供稿

本文摘要

计算机辅助药物设计技术大幅提高了小分子药物开发的效率和精准性，但设计出的新药仍需实验技术的最终确认。本文介绍了基于表面的非标记分子互作GCI技术精确无误的捕捉药物与靶点的结合，为新药实验确认环节提供精准且可靠的数据。

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小分子药物研发是一场科学接力赛，从靶点发现到化合物筛选和结构优化，再到临床试验，每一步都充满挑战。随着人工智能技术的不断发展，计算机辅助药物设计为科学家插上一双翅膀，助力科学家跑赢这场激烈地接力赛。科学家们借助分子动力学模拟、虚拟筛选等技术可以更加全面地了解药物分子与靶点蛋白的结合模式，从数以万计的化合物库中迅速锁定最有潜力的候选物，高效、精准地设计出真正有效、安全的药物。

虽然计算机辅助药物设计技术大幅提高了小分子药物开发的效率和精准性，但设计出的新药仍需实验技术的最终确认。

光栅耦合干涉技术（Grating-coupled interferometry, GCI）是一种基于表面的非标记分子互作技术，3 mm超长检测区域赋予了GCI技术超高的灵敏度，即使是低偶联、低活性及大分子量配体的测试也能获得高质量数据；双重进样口的设计将切换速度提升至150 ms，可敏锐捕捉解离速率为10 s^-1的瞬态反应。正是这种无与伦比的切换速度与灵敏度，使GCI技术成为小分子药物与靶点结合确认环节的黄金拍档，确保每一次的结合都能被精确无误地捕捉和验证。

应用实例：

GCI技术推动转移性结直肠癌药物发现

转移性结直肠癌（mCRC）是导致癌症相关死亡的主要原因之一，但目前仍缺乏有效的治疗药物。岩藻糖基转移酶8（FUT8）在结直肠癌在内的大多数恶性癌症中过表达，为潜在的治疗靶点。

2023年8月3日，苏州大学汪维鹏教授和李环球副教授团队在Cell Death Disease上发表题为 “FDW028, a novel FUT8 inhibitor, impels lysosomal proteolysis of B7-H3 via chaperone-mediated autophagy pathway and exhibits potent efficacy against metastatic colorectal cancer” 的研究性文章，该研究开发了一种强效且具有高度选择性的小分子 FUT8 抑制剂 FDW028，该抑制剂能显著抑制FUT8介导的核心岩藻糖修饰，促进免疫检查点分子B7-H3经分子伴侣介导的自噬（CMA）溶酶体途径降解，显著延长转移性结直肠癌（mCRC）小鼠生存期。

图1 FDW028 药理作用机理

目前，通过常规策略开发的小分子抑制剂，面临生物利用度低、选择性差等问题。因此，研究者借助分子动力学（MD）模拟、虚拟筛选等技术，解开了FUT8 与小分子结合的关键残基，鉴定出FDW028有望成为FUT8 的新型抑制剂。最终，研究者利用小分子开发黄金搭档——GCI，将FUT8通过氨基偶联于PCP芯片表面，FDW028以1:2进行稀释流过芯片表面（8个浓度，最高浓度为100 μM），运行缓冲液为含3%DMSO的PBS-P缓冲液。通过Kinetics测定出FDW028和FUT8亲和力为5.486 μM，证实了 FDW028 与 FUT8 的完美结合，进一步验证了FDW028作为酶抑制剂的可行性，为后续动物实验抗肿瘤活性的评估奠定坚实的基础。

图2 FUT8和FDW028结合动力学

GCI技术让小分子无处可藏

在小分子结合实验中，特别是在分析大分子量药物靶标与小分子之间的相互作用时，灵敏度是实现精准分析的核心要素。

传统技术面对悬殊较大的分子互作分析时，往往需通过提升表面配体的密度来实现Rmax（最大响应值）的最优化，以确保结果的可靠性。然而，高分辨率的GCI技术可以精准捕获较低配体密度下的动力学数据，为研究分子间相互作用提供了新的视角和更宽的动态范围。

基于GCI技术我们分析了一对分子量为297 Da的小分子与分子量为110 kDa的目标蛋白（由诺华公司提供），分子量比率>350:1，这对于传统的无标记互作技术来说是一个巨大挑战。将生物素化的目标蛋白偶联在PCH-STA芯片表面（表面衍生链霉亲和素），分析物进行1:3稀释（9个浓度，最高浓度为10 μM），运行缓冲液为20 mM Hepes、300 mM NaCl、1 mM DTT、2%DMSO，最终通过校正及拟合以获得结合动力学相关信息。

图3 297 Da小分子与110 kDa的目标蛋白的结合动力学

借助GCI技术卓越的灵敏度和信噪比，即使在配体密度远未达到表面饱和的情况下（<1 pg/mm2，相当于1 RU），也能对分子量相差悬殊的相互作用进行可靠测试。这使我们能够获取具有清晰的浓度依赖性和高信噪比的优质数据。

GCI技术完美攻克小分子结合实验难点

小分子结合实验难点	GCI技术优势应对
小分子的分子量极小，测试仪器需要具备极高的灵敏度	3 mm超长检测区域带来卓越的检测灵敏度，检测分子量无下限
小分子的解离速率快，测试仪器需具有快速捕捉解离过程的能力	150 ms液流切换速度，完美捕获高达10 s^-1解离速率
小分子的溶解性较差，需要DMSO助溶	可耐受高浓度DMSO，waveRAPID全新动力学无需溶剂校正，轻松排除DMSO干扰

参考文献：

[1] Wang, M., Zhang, Z., Chen, M. et al. FDW028, a novel FUT8 inhibitor, impels lysosomal proteolysis of B7-H3 via chaperone-mediated autophagy pathway and exhibits potent efficacy against metastatic colorectal cancer. Cell Death Dis 14, 495 (2023). DOI：https://doi.org/10.1038/s41419-023-06027-0.

[2] Creoptix TechNote08 Large Drug Targets.

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