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默沙东、诺华等大药企正在密切关注这个领域,医药初创公司开始布局

2019-04-20 10:05
动脉网
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我们在此前的文章中详细介绍了这十年来无膜细胞器领域的发展状况。从2009年第一篇报道无膜细胞器流体特性的文章开始,越来越多有关无膜细胞器的生物物理学特性被发掘出来。同时也有大量文献表明,无膜细胞器的形成与分解和神经退行性疾病、肿瘤等存在着密切的联系。

基于无膜细胞器的种种特性,已经有初创公司开始向这一领域布局,各大跨国药企也在对这一领域保持密切关注。然而在这个领域发展的同时,无膜细胞器复杂的基础机理让研究人员们难下定论。对这些复杂机理的研究,也需要更多更好的技术手段。

初创公司起步,药企密切关注

药物研发者们已经开始关注到这一点。Dewpoint Therapeutics于1月份成立,是第一家公开在此领域押注的公司。其他一些初创企业则尚未公布。大型制药公司也对此保持密切关注。“这是一个非常有意思的基础生物学的领域,我们希望能够更深入的了解这些结构在疾病中的作用,以及它们将如何切入疾病治疗。”默沙东的研究人员Jason Imbriglio这样说。默沙东近期刚刚协办了一场专门针对无膜细胞器的纽约科学院研讨会。

Dewpoint的CSO Mark Murcko补充说,这一领域潜藏着巨大的机会。“当我们了解了这些凝聚物如何起效时,我们可以再去看一下以前那些大家都关注过却未能成药的靶点。我们可以提个问题,'好吧,既然我们现在有了这种全新的视角,那么是不是可以通过不同的思考方式,让这个靶点变得更听话一些?'“

有很多未解决的问题还需要研发者们考虑。如果有潜力的靶点聚集在生物分子凝聚物中会发生什么?药物扩散到这些无膜细胞器中能否正常起效?以及,小分子是否会对凝聚物的形成和分解产生预料之外的危害?

“这不像宇宙学那么博大精深,但还是有许多未知因素。”普林斯顿大学的生物物理工程师Cliff Brangwynne说到。正是他的工作唤起了人们对液-液相分离和无膜细胞器的兴趣。

“你不会想要转身背离这些东西以无视他们,因为它很可能会一直在你身后偷悄悄地跟着你。”诺华生物医学研究所的药物化学家Derek Lowe补充说。他也正密切关注这个领域。

在药物开发计划方面,肿瘤学有着最直接的应用途径。虽然药物化学家可能很难在神经退行情况下恢复凝聚物形成的微妙平衡,但他们可以集中精力于破坏这一系统来杀死癌细胞。“说实话作为一名药物化学家,我并不为此感到骄傲。但比起让一个东西变得更好,毁掉一个东西确实更加容易。如果你只是想要往凝聚情况里丢进一只拿着扳手的猴子来搞乱它,那么肿瘤学正是你想要的地方。”Lowe说。

Taylor说,除了神经退行性疾病和癌症,传染病和自身免疫病也值得关注。例如,传染病病原体可以利用生物分子凝聚物来促进其复制周期,并且相变似乎也会影响调节着先天免疫的信号转导过程。他说:“虽然有关这些的证据还不如神经退行性疾病和癌症充分,但我认为这些证据正在逐步浮出水面。”

前路漫漫,但仍要保持信心

一些研究人员仍有一些疑问。在体外系统中用经过纯化的凝聚物完成的研究,是否也能在体内模型中实现?这些与疾病之间的关联有直接的因果关系吗?以及,凝聚物是否可能只是一种没有真正的作用的生物物理现象,而不是重要的细胞结构?

Hyman和Rosen在2017年的一篇有关无膜细胞器的综述中谨慎的描述了迄今为止的研究成果:“在大多数情况下,我们都不了解这样的结构究竟具有何种独特的生化功能或细胞功能。”他们与同事们在文章中写到。“干扰凝聚物引起的表型相当微妙。我们也仍未发现这些结构对于细胞或生物体的生存有重要作用。”换句话说,这个领域还很年轻。

但Taylor确信凝聚物的病理学重要性,尽管他也承认从这种新模式想要完成药物研发仍然充满了困难:“我们正处于概念和原则都已明晰,但确切目标尚不清楚的尴尬境地。”

与此同时,他指出了未来的两个主要方向。一方面,研究人员可以捕获直接与构成生物分子凝聚物的蛋白质结合的小分子。这些小分子也许会通过影响这些蛋白的稳定性,来影响这些蛋白形成凝聚物的能力。然而长久以来,很少有针对蛋白质IDRs的小分子结合研究。

另一方面,研究人员可以从凝聚物的上游调控机制入手。ATP酶,解旋酶和泛素化酶,也就是那些控制着凝聚物组分蛋白表达后修饰的蛋白,似乎对液-液相动力学至关重要。但是是否存在一个只会影响疾病相关组分的目标物仍有待商榷。冗余的调节机制是否会使问题复杂化也尚未可知。

Dewpoint公司一直在试图保持自己的思路开放。“考虑到只有针对特定目标的特定凝聚物才能应对特定治疗情况,全方位发展对我们来说才是最有价值的选项。”Murcko说。

他补充说,其实有关IDRs,从激酶到转录因子的所有东西,都已经摆在了他的桌面上。Murcko在他的计算机上存有一个关于IDRs变形蛋白文献的文件夹已经有超过15年了。“每次我看到关于这个主题的论文,我都会读它,然后我都会感到愤怒,因为我真的搞不清楚这些蛋白究竟在做什么,”Murcko说,他在整个职业生涯中都在利用蛋白质结构来设计更好的药物。“现在,我们对于这些IDRs到底用来做什么第一次有了部分清晰的认识。”

寻找能够结合IDRs的小分子的工作仍然进展缓慢。“这可真是太难了,”Lowe说,“难到可以让一个男人胆战心惊。”但是Murcko表示,总还是有些数据让人保持乐观。例如在2016年,研究人员鉴别了一种能与雄激素受体的IDR结合的小分子候选药物。

随着技术手段的进步,研究进展会越来越深入

无论药物研究者们决定往哪个方向发展,他们都需要各种各样的工具来完成这些事情。他们不仅要能够逐一研究凝聚物的蛋白组分和生物物理学特性,而且还必须使用先进的成像技术来从相关的细胞中捕捉到能够调控这些过程的小分子。

“除非你真的仔细考虑过用于解决这些问题的各种技术手段,否则你将陷入一个充满伤害的世界,充斥着读数错误,赝品和彻底的失败,”Murcko说。

交联质谱等新技术已经被用于研究凝聚物成分中单个氨基酸的变化如何影响蛋白结构。高质量成像也可以用于观察无膜细胞器的形成并捕捉到干扰这些动态的小分子。但是这个领域仍然需要更多更好的技术。

Hyman指出有更多工作需要通过Bouillon显微镜来完成,以评定细胞内凝聚物的材料特性,例如评定凝聚物是液体状还是凝胶状。

默沙东、诺华等大药企正在密切关注这个领域,医药初创公司开始布局

图1:蓝光诱导下的无膜细胞器形成过程

默沙东、诺华等大药企正在密切关注这个领域,医药初创公司开始布局

图2:停止蓝光照射后,无膜细胞器的分解过程

图片来源:Dan Bracha,Mackenzie T.Walls,et al.Mapping Local and Global Liquid Phase Behavior in Living Cells Using Photo-Oligomerizable Seeds.Cell.175,1467-1480(2018).

Brangwynne现在专注于开发可以控制细胞内凝聚物形成的光遗传工具。他在他的研究中将冷凝物组分的IDR区域与来自其他蛋白的光依赖性寡聚化结构域结合成融合蛋白。通过将光照射到表达这些融合蛋白的细胞上,研究人员可以强制这些融合蛋白聚集和并借此诱发凝聚物形成(图1)。在光照结束后,成型的凝聚物则会逐步分解(图2)。Taylor在Brangwynne的基础上创建了另一项技术,另一种诱导无膜细胞器组装的方法。

“没有人真正在量化思考管理我们细胞内部组织的规则。他们只是观察到了一些小液滴并把它称为为相分离。我觉得这十分危险。”Brangwynne说,“这项技术的作用就在于它可以让你定量地绘制活细胞中的相态图。”

这些工具应当有助于研究人员弄清楚凝聚物的功能。而对于想要找到可以控制凝聚物的小分子药物的研发者们来说,这些工具可以帮助他们评估小分子是否对细胞中的相分离过程产生影响。

Brangwynne正在将其工具商业化,以用于治疗和药物发现方面的应用。他表示投资者和生物技术公司都对此很有兴趣。他在此借用了已故诺贝尔奖获得者Sydney Brenner的一句话,用以强调工具开发的重要性。“科学进步取决于新技术,新发现和新想法,而且要按照这种顺序。”

药物研发将随着这一领域的逐步深入发生变化

药物研发者们从来没有明确地掌握过一个小分子进入细胞后的确切位置,以及它如何在混乱的细胞质中找到自由漂浮的目标。现在,这些对细胞组织原理的新发现表明,事情可能比先前预想的更复杂。

“你不仅需要在细胞中跟踪你的化合物,你还必须将它们追踪到如此小的位置,小到你必须要用最先进的成像技术才能说服自己它们真的存在,”Lowe说。

研究人员在工作的同时,一直在思考这一切对于药物发现意味着什么。哪些靶点能从无膜细胞器中找到?如果可能的话,生物分子凝聚物如何直接或间接地影响各种通路的活性?小分子是否会进出这些结构,这会影响小分子的起效吗?小分子能否有效的调节凝聚物的形成和功能?考虑到无膜细胞器的短时性和微小性,这些问题都不会轻而易举的被解答。

除此之外,这个新领域也可能开辟了一条毒性测试的新途径。“我个人的观点是,随着该领域的成熟,任何候选药物都不应该轻易进入临床试验,除非药物公司已经完全搞清楚了候选药物对细胞中凝聚物的影响。”Murcko说。

如同许多新兴领域一样,这个行业对于药物研发者们而言正处于机遇与危险并存的棘手的境地。“这就像试图抓住下落的刀子一样,”Lowe说。“在你拿起它之前,你可能想让它在地板上掉落并振动一秒钟。但你不会想长时间坐着,眼睁睁的看着其他人拿走所有的好东西。”

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