高水平基础研究为医药科学发展奠定坚实基础

文图/《中国当代医药》主笔 潘锋

第十四届“药明康德生命化学研究奖” 评选结果2020年12月19日在线公布，上海科技大学免疫化学研究所副所长杨海涛教授，中国科学院院士、上海交通大学转化医学研究院执行院长樊春海教授，浙江大学教育部脑与脑机融合前沿科学中心主任胡海岚教授等3 人获颁“杰出成就奖”；中山大学附属肿瘤医院院长徐瑞华教授获颁“科技成果转化奖”；中国科学院上海有机化学研究所董佳家教授等16 人获颁 “学者奖”。成立于2007年的药明康德生命化学研究奖旨在奖励从事生命化学及相关领域研究并在科研创新、成果推广及高新技术产业化等方面取得突出成就的中青年科技人才，助力他们进一步取得成果突破。截至目前共有245 位优秀科研工作者获奖，其中21 位获奖者入选中国科学院院士或中国工程院院士。

杨海涛教授

率先解析新冠病毒蛋白结构

2020年伊始新冠肺炎疫情不期而至，全球科学家们争分夺秒地打响了针对新冠病毒的攻坚战，上海科技大学免疫化学研究所与国内多个单位组成联合应急攻关团队，杨海涛就是其中的一位核心研发人员。团队率先在国际上解析了新冠病毒蛋白质—主蛋白酶的高分辨率三维空间结构，并被PDB（Protein Data Bank）选为2020年2月的明星分子，主蛋白酶是新冠病毒的关键药物设计靶点，这一发现为抗新冠病毒药物设计和开发提供了关键的结构生物学基础。

杨海涛长期从事病原微生物免疫感染的结构研究，在新型冠状病毒、结核分枝杆菌、寨卡病毒、SARS 病毒、HIV 研究中取得过多项重要成果，在《Nature》《Science》《Cell》等国际知名学术期刊上发表了多篇原创性论文。2003年杨海涛师从饶子和院士在清华大学攻读生物学博士，那一年“非典”暴发，杨海涛作为学术骨干积极投身于SARS 病毒的药靶结构研究和抑制剂开发，这也为今后的新冠研究积累了丰富的经验，博士毕业后杨海涛选择将传染病研究作为自己的科研道路。

2020年面对突发而至的新冠肺炎疫情，杨海涛和他的团队满怀社会责任感和使命感，在接到攻克新冠主蛋白结构这项重要而艰巨的任务后日以继夜地奋战在科研一线。多年的积累为杨海涛解析新冠病毒主蛋白结构打下了良好的基础，在短短的一周时间里杨海涛和攻关团队利用上海科技大学位于张江综合性国家科学中心的地理优势，在上海同步辐射光源、国家蛋白质科学研究（上海）设施的支持下，迅速解析了新冠病毒关键药物靶点—主蛋白酶（Mpro）与抑制剂复合物在原子分辨率水平的晶体结构，这也是世界上解析高分辨率新冠病毒蛋白质的三维空间结构的重要突破。

为何会选择首先解析蛋白酶的结构，杨海涛解释说：“病毒蛋白酶往往是备受瞩目的药物设计靶点，科学上已经证实HIV、HCV 的蛋白酶都是非常好的药靶。冠状病毒的主蛋白酶在整个病毒复制、转录、装配过程中起着非常关键的调节作用，在整个病毒生命周期中主蛋白酶的活性如果被抑制，那么病毒就不能正常复制，因此主蛋白酶是一个极具潜力的抗新冠药物靶标。”

“针对重大传染性疾病研究，我们对数据和实验材料一直秉承开放的态度，在这个过程中如有任何机构、个人愿意去做相关研究，我们都愿意提供协作和帮助。”杨海涛表示。新冠病毒主蛋白酶结构的解析为抗新冠病毒药物的研发提供了关键的结构信息，为了更大范围地推动新冠药物研发，杨海涛团队在2020年1月26日大年初二向世界公开了这一突破性进展，希望各国科学家都能够利用这一关键的药物靶点信息更好地设计、开发针对性的抗新冠特效药，目前研究团队已向全球300 余家科研机构和药企提供了这一关键药靶蛋白的原子坐标。

解析药物靶点最终目的是为了开发新药，针对新冠病毒在疫情期间如何能够迅速发现具有临床潜力的治疗药物呢？杨海涛团队首先采用的是老药新用的思路，将主蛋白酶作为药物靶点，利用了虚拟筛选技术和高通量筛选技术发现了一批非常有价值的药物分子。团队综合多种药物发现策略发现临床常用的药物依布硒和双硫仑是靶向主蛋白酶的抗病毒抑制剂，有望成为潜在的治疗药物，上述研究为新发传染病的药物发现提供了一个可借鉴的范式，文章获《Nature》首页推荐。此外，团队还解析了新冠病毒主蛋白酶与抗肿瘤药物卡莫氟的复合物的高分辨率晶体结构，揭示了抗肿瘤药物卡莫氟抑制主蛋白酶的分子机制，也是新冠病毒蛋白质与“成药”的复合物结构的精确解析，现在部分药物分子已经获得FDA 批准进入临床试验阶段，后续临床开发潜力有待进一步验证。

杨海涛表示：“新冠药物研发是一个任重道远的过程，特别是找到安全的特效药需要大家齐心协力。新冠药物研发需要从病毒、免疫系统多个角度思考问题，由于冠状病毒会产生突变，因此针对一个靶点开发多种药物或者针对多个靶点开发药物，可以最大程度地降低病毒产生耐药性。未来依然可能会出现新发冠状病毒疫情风险，应未雨绸缪尽早研发抗冠状病毒的广谱药物。”

为发展框架核酸诊疗奠定基础

作为生命体遗传物质的脱氧核糖核酸（DNA）广为人知的是其特有的双螺旋结构，通过AGCT 碱基的精密配对与无限排列组合承载了庞大的生命遗传信息。而在中国科学院院士、上海交通大学樊春海教授的研究中，DNA 不仅是一种遗传物质的载体，更多时候樊春海将DNA 视为一种分子信息材料，一种基础的分子砌块，通过精确组装能够衍生出很多自然界不存在的形态。樊春海发展了图案化精确组装DNA 分子的新方法，在国际上率先提出“框架核酸”概念并实现了活细胞和活体生物学过程的调控，为解决核酸分子向活细胞内递送的难题提供了解决方案。

20世纪90年代樊春海考入南京大学生物化学系，研究生期间从事电化学生物传感器研究，从此与DNA 分子结下了不解之缘。“从那时开始我们不仅把DNA 看作是一个生物活性物质比如基因，而是把它作为一个材料来看。当时我们做生物传感器就相当于把它作为一个传感材料。”忆及求学时光，樊春海对此印象深刻。

2006年国际上出现了一个名为DNA 折纸术的新技术，什么是DNA 折纸术呢？ 樊春海解释说，“我们可以将其想象为一个织毛衣的过程，单链DNA 就像一条柔软的毛线，利用碱基配对原理通过特定的序列设计，再使之与n 条短链片段碰撞就可以自动组装在一起，编织成预设的形状。从理论上讲这项技术的问世意味着可以把DNA编制成任何的一个几何图形，从一维、二维到三维。”同年，樊春海所在团队完成了一个利用DNA 折纸术构建的仿中国地图图案，研究成果发表在2006年《科学通报》上，成为这个方向第二个发表的成果。此后团队迅速深入掌握了这一技术，通过对AGCT 序列进行编程，以自组装的程式构建了更多的可控DNA 形貌。

在实现对DNA 形貌的充分控制后樊春海和团队开始超越形状概念，进一步思考如何进行功能化应用。樊春海率先在国际上提出了“框架核酸”概念，通过DNA 分子自组装方法即DNA 折纸就可以将DNA 组装成几纳米、几十纳米、几百纳米甚至毫米尺度，团队通过对氢键配对、碱基堆积和形状匹配等化学自组装过程的设计、调控与剪裁，构建了一系列框架核酸组装体。

目前纳米材料众多，包括纳米金、碳纳米管、石墨烯以及各种高分子纳米材料等，DNA 程序化组装所打造的框架核酸有何独特之处呢？樊春海说：“虽然目前有很多纳米级材料可以选择，但很多时候它们的尺寸和形貌并不精确，只能是分布在一定范围内，很难实现精确控制。与之相对的是通过DNA编程自组装的框架核酸具有单一分子量，结构精确、尺寸形貌可控、力学特性可调等特点，为调控细胞跨膜过程、活体器官靶向提供了先进材料与工具。”

近年来，功能性核酸分子在新药开发中日益受到广泛关注，但在生理环境下核酸分子通常结构稳定性差、细胞摄取效率低，这也成为功能性核酸新药开发的一大“瓶颈”。樊春海团队通过对不同形状、不同大小的核酸组装体跨膜过程研究发现，四面体框架核酸结构能高效突破细胞膜界面静电屏障，为解决核酸分子向活细胞内递送的难题提供了解决方案。框架核酸的精确编程使其不但可以帮助功能性核酸分子跨膜，也为更多的生物分子和它们的分子识别过程研究提供更好的场景，比如核酸—蛋白质的识别或是蛋白质—蛋白质的识别等，这些分子识别是生命体内各种信号转导过程的基础。

揭示单分子水平上的抗体—抗原相互作用能够加深人类对免疫学的理解以及对一些疾病的认知，但晶体或冷冻条件下的结构测定不能为解决瞬时的、生理上或病理上相关的功能性抗体—抗原复合物提供时间分辨率。樊春海与团队开发了一个三角形的框架核酸，在上面编码了具有空间位点特异性的人工抗原表位，以捕获免疫球蛋白IgG 在室温下的瞬态构象，这使得原子力显微镜(AFM)可以直接成像功能复合物，为病毒中和、诊断检测和癌症免疫治疗等各种应用提供了线索。樊春海团队建立了一系列用于激活细胞免疫反应的框架核酸药物，获得了比传统药物递送方式高两个数量级的激活效率，并成功应用于动物免疫增强治疗，上述一系列工作为发展活细胞框架核酸诊疗奠定了方法学基础。

樊春海院士表示：“框架核酸领域依然有着广阔的空间有待探索，最关键的是我们在纳米水平第一次可以对框架分子进行精确的操控和编程，这是很多其他材料分子难以做到的。未来具有‘智能’的DNA 纳米机器人也许可以进入血管，进入细胞执行诊疗功能，相信科技的进步一定会给我们带来更多的惊喜。”

助力寻找抗抑郁新药

喜怒哀乐等情绪的背后大脑里面发生了怎样的变化？欢喜或悲伤是怎样影响了个体的行为和抉择？浙江大学胡海岚教授的工作正是去解码大脑对情绪的编码和调控。胡海岚在国际上首次建立了外侧缰核活动与抑郁情绪的分子联系，创新提出了抑郁症的致病机理，解析出的环路及分子机制为抑郁症的诊疗提供了全新的理论框架和系列靶点。

作为典型的情绪相关疾病，抑郁症近年来越来越引起人们的重视，传统理论认为大脑中的一些化学物质如与情绪、活力相关的多巴胺、5 羟色胺等单胺类递质的减少引起了抑郁症，目前的抗抑郁药物大都基于这一认识来提高全脑单胺类递质的浓度，但传统抗抑郁药物起效缓慢，多在6～8 周以上且只有20%左右的患者起效，提示传统抗抑郁药物可能只是间接起作用，目前对抑郁症机制的了解还没有触及其核心。

近年来在临床上意外发现麻醉剂氯胺酮在低剂量下具有抗抑郁效果，并且起效快、作用广，这一现象引起了科学家与临床医生的巨大兴趣。胡海岚及其团队也在一系列研究中以理解氯胺酮的快速抗抑郁机制为切入点，从分子细胞、神经环路层面提出了抑郁症的新机制模型，为人类进一步认识与治疗这一棘手顽症带来了希望。2018年2月胡海岚团队破纪录地在同一期《自然》杂志发表了两篇研究论文，阐述了相关的结果。研究人员首次揭示了大脑外侧缰核的一种被称为簇状放电的特殊神经活动方式是抑郁症发生的充分条件，外侧缰核是大脑中海马体下方的一个小小的核团，是“大脑的反奖赏中心”，介导了人的恐惧、紧张、焦虑等许多负面情绪，它与中脑“奖赏中心”的单胺核团相互“拮抗”，左右着人们的情绪。

胡海岚解释说：“正常情况下外侧缰核的神经元会通过单个放电，向下游传递信息，但是如果放电模式变成高频的簇状放电，就会造成对奖赏中心的过度抑制而导致抑郁症。这种簇状放电依赖于大脑中最主要的兴奋性递质谷氨酸受体NMDAR，而氯胺酮正好是NMDAR的阻断剂，通过阻断NMDAR 和簇状放电氯胺酮可以释放外侧缰核对奖赏中心的抑制，从而快速改善情绪。”

胡海岚团队在国际上首次建立了外侧缰核活动与抑郁情绪的分子联系，颠覆了传统抑郁症核心机制上流行的“单胺假说”，形成了以缰核这一大脑“反奖赏中心”为核心的学术体系，创新了抑郁症这一重大疾病的致病机理。在临床转化方向通过对抑郁症在分子、细胞和神经环路层面的综合解析，为研发氯胺酮替代品、避免其成瘾等副作用提供了新的可能，胡海岚团队还鉴定出了谷氨酸受体NMDAR、Kir4.1 钾通道、T-VSCC 钙通道等多个可成药的快速抗抑郁分子靶点。

胡海岚说，“虽然抑郁症药物研发道路很漫长，但是我们已经看到了曙光，科学家和制药工业已经迈出了关键的第一步。尽管氯胺酮本身有成瘾性等副作用，但它的出现给我们打开了一扇窗口，启发我们更深入地去了解抑郁症真正的核心致病机制，并在理解的基础上去开发其他更有效、副作用更小的药物。”

目前，全球已有数个实验室都在不同的抑郁症动物模型中发现了同样的特征放电方式，胡海岚团队也正在与多家机构开展合作研究，测试一系列基于该机制的老药和新化合物的抗抑郁效果。有研究发现与其它经典的抗抑郁药物不同，尽管氯胺酮在体内的半衰期只有3 个小时，但氯胺酮一次给药后药效可以持续长达一周。在前期工作阐明了氯胺酮起效“快速性”机理基础上，胡海岚正聚焦于氯胺酮药效的持久性以及脑区特异性研究，团队未发表的工作逐渐显示这些药物特性揭示的正是以缰核NMDAR 活动为核心的统一理论，从这一长效性工作获得的启发也展现出了抑郁症新药研发的广阔前景。

胡海岚认为，抗抑郁药物研发除了要关注靶点以外，还需要更多地关注药物与靶点的作用方式和药物本身的药化、药代特性，以便帮助开发临床上更有效的药物。同时作为科研工作者要勇于创新，不要被领域内的经典假说所禁锢，氯胺酮之所以脱颖而出成为抗抑郁药的“新星”，恰好正是印证了这一点。

新冠疫情再次敲响警钟，人类预防、诊断和治疗疾病的手段还非常有限，需要在生命科学领域不断实现创新和突破。值得一提的是今年有多位获奖科学家的研究成果对抗击疫情起到了重要的推动作用。西湖大学周强研究员解析了新冠病毒细胞表面受体ACE2 的全长三维结构，以及ACE2 与新冠病毒S 蛋白受体结合结构域复合物的三维结构，为开发针对性药物、抗体和疫苗提供了结构基础；中国科学院上海药物研究所许叶春研究员研发的新冠病毒主蛋白酶抑制剂具有良好的成药前景；四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室李炯教授参与研发的新冠病毒疫苗已经进入临床试验阶段。