文圖/《中國當代醫(yī)藥》主筆 潘鋒

第十四屆“藥明康德生命化學研究獎” 評選結果2020年12月19日在線公布，上?？萍即髮W免疫化學研究所副所長楊海濤教授，中國科學院院士、上海交通大學轉化醫(yī)學研究院執(zhí)行院長樊春海教授，浙江大學教育部腦與腦機融合前沿科學中心主任胡海嵐教授等3 人獲頒“杰出成就獎”；中山大學附屬腫瘤醫(yī)院院長徐瑞華教授獲頒“科技成果轉化獎”；中國科學院上海有機化學研究所董佳家教授等16 人獲頒 “學者獎”。成立于2007年的藥明康德生命化學研究獎旨在獎勵從事生命化學及相關領域研究并在科研創(chuàng)新、成果推廣及高新技術產業(yè)化等方面取得突出成就的中青年科技人才，助力他們進一步取得成果突破。截至目前共有245 位優(yōu)秀科研工作者獲獎，其中21 位獲獎者入選中國科學院院士或中國工程院院士。

楊海濤教授

率先解析新冠病毒蛋白結構

2020年伊始新冠肺炎疫情不期而至，全球科學家們爭分奪秒地打響了針對新冠病毒的攻堅戰(zhàn)，上?？萍即髮W免疫化學研究所與國內多個單位組成聯合應急攻關團隊，楊海濤就是其中的一位核心研發(fā)人員。團隊率先在國際上解析了新冠病毒蛋白質—主蛋白酶的高分辨率三維空間結構，并被PDB（Protein Data Bank）選為2020年2月的明星分子，主蛋白酶是新冠病毒的關鍵藥物設計靶點，這一發(fā)現為抗新冠病毒藥物設計和開發(fā)提供了關鍵的結構生物學基礎。

楊海濤長期從事病原微生物免疫感染的結構研究，在新型冠狀病毒、結核分枝桿菌、寨卡病毒、SARS 病毒、HIV 研究中取得過多項重要成果，在《Nature》《Science》《Cell》等國際知名學術期刊上發(fā)表了多篇原創(chuàng)性論文。2003年楊海濤師從饒子和院士在清華大學攻讀生物學博士，那一年“非典”暴發(fā)，楊海濤作為學術骨干積極投身于SARS 病毒的藥靶結構研究和抑制劑開發(fā)，這也為今后的新冠研究積累了豐富的經驗，博士畢業(yè)后楊海濤選擇將傳染病研究作為自己的科研道路。

2020年面對突發(fā)而至的新冠肺炎疫情，楊海濤和他的團隊滿懷社會責任感和使命感，在接到攻克新冠主蛋白結構這項重要而艱巨的任務后日以繼夜地奮戰(zhàn)在科研一線。多年的積累為楊海濤解析新冠病毒主蛋白結構打下了良好的基礎，在短短的一周時間里楊海濤和攻關團隊利用上?？萍即髮W位于張江綜合性國家科學中心的地理優(yōu)勢，在上海同步輻射光源、國家蛋白質科學研究（上海）設施的支持下，迅速解析了新冠病毒關鍵藥物靶點—主蛋白酶（Mpro）與抑制劑復合物在原子分辨率水平的晶體結構，這也是世界上解析高分辨率新冠病毒蛋白質的三維空間結構的重要突破。

為何會選擇首先解析蛋白酶的結構，楊海濤解釋說：“病毒蛋白酶往往是備受矚目的藥物設計靶點，科學上已經證實HIV、HCV 的蛋白酶都是非常好的藥靶。冠狀病毒的主蛋白酶在整個病毒復制、轉錄、裝配過程中起著非常關鍵的調節(jié)作用，在整個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復制，因此主蛋白酶是一個極具潛力的抗新冠藥物靶標?！?/p>

“針對重大傳染性疾病研究，我們對數據和實驗材料一直秉承開放的態(tài)度，在這個過程中如有任何機構、個人愿意去做相關研究，我們都愿意提供協作和幫助。”楊海濤表示。新冠病毒主蛋白酶結構的解析為抗新冠病毒藥物的研發(fā)提供了關鍵的結構信息，為了更大范圍地推動新冠藥物研發(fā)，楊海濤團隊在2020年1月26日大年初二向世界公開了這一突破性進展，希望各國科學家都能夠利用這一關鍵的藥物靶點信息更好地設計、開發(fā)針對性的抗新冠特效藥，目前研究團隊已向全球300 余家科研機構和藥企提供了這一關鍵藥靶蛋白的原子坐標。

解析藥物靶點最終目的是為了開發(fā)新藥，針對新冠病毒在疫情期間如何能夠迅速發(fā)現具有臨床潛力的治療藥物呢？楊海濤團隊首先采用的是老藥新用的思路，將主蛋白酶作為藥物靶點，利用了虛擬篩選技術和高通量篩選技術發(fā)現了一批非常有價值的藥物分子。團隊綜合多種藥物發(fā)現策略發(fā)現臨床常用的藥物依布硒和雙硫侖是靶向主蛋白酶的抗病毒抑制劑，有望成為潛在的治療藥物，上述研究為新發(fā)傳染病的藥物發(fā)現提供了一個可借鑒的范式，文章獲《Nature》首頁推薦。此外，團隊還解析了新冠病毒主蛋白酶與抗腫瘤藥物卡莫氟的復合物的高分辨率晶體結構，揭示了抗腫瘤藥物卡莫氟抑制主蛋白酶的分子機制，也是新冠病毒蛋白質與“成藥”的復合物結構的精確解析，現在部分藥物分子已經獲得FDA 批準進入臨床試驗階段，后續(xù)臨床開發(fā)潛力有待進一步驗證。

楊海濤表示：“新冠藥物研發(fā)是一個任重道遠的過程，特別是找到安全的特效藥需要大家齊心協力。新冠藥物研發(fā)需要從病毒、免疫系統(tǒng)多個角度思考問題，由于冠狀病毒會產生突變，因此針對一個靶點開發(fā)多種藥物或者針對多個靶點開發(fā)藥物，可以最大程度地降低病毒產生耐藥性。未來依然可能會出現新發(fā)冠狀病毒疫情風險，應未雨綢繆盡早研發(fā)抗冠狀病毒的廣譜藥物。”

為發(fā)展框架核酸診療奠定基礎

作為生命體遺傳物質的脫氧核糖核酸（DNA）廣為人知的是其特有的雙螺旋結構，通過AGCT 堿基的精密配對與無限排列組合承載了龐大的生命遺傳信息。而在中國科學院院士、上海交通大學樊春海教授的研究中，DNA 不僅是一種遺傳物質的載體，更多時候樊春海將DNA 視為一種分子信息材料，一種基礎的分子砌塊，通過精確組裝能夠衍生出很多自然界不存在的形態(tài)。樊春海發(fā)展了圖案化精確組裝DNA 分子的新方法，在國際上率先提出“框架核酸”概念并實現了活細胞和活體生物學過程的調控，為解決核酸分子向活細胞內遞送的難題提供了解決方案。

20世紀90年代樊春海考入南京大學生物化學系，研究生期間從事電化學生物傳感器研究，從此與DNA 分子結下了不解之緣。“從那時開始我們不僅把DNA 看作是一個生物活性物質比如基因，而是把它作為一個材料來看。當時我們做生物傳感器就相當于把它作為一個傳感材料。”憶及求學時光，樊春海對此印象深刻。

2006年國際上出現了一個名為DNA 折紙術的新技術，什么是DNA 折紙術呢？ 樊春海解釋說，“我們可以將其想象為一個織毛衣的過程，單鏈DNA 就像一條柔軟的毛線，利用堿基配對原理通過特定的序列設計，再使之與n 條短鏈片段碰撞就可以自動組裝在一起，編織成預設的形狀。從理論上講這項技術的問世意味著可以把DNA編制成任何的一個幾何圖形，從一維、二維到三維。”同年，樊春海所在團隊完成了一個利用DNA 折紙術構建的仿中國地圖圖案，研究成果發(fā)表在2006年《科學通報》上，成為這個方向第二個發(fā)表的成果。此后團隊迅速深入掌握了這一技術，通過對AGCT 序列進行編程，以自組裝的程式構建了更多的可控DNA 形貌。

在實現對DNA 形貌的充分控制后樊春海和團隊開始超越形狀概念，進一步思考如何進行功能化應用。樊春海率先在國際上提出了“框架核酸”概念，通過DNA 分子自組裝方法即DNA 折紙就可以將DNA 組裝成幾納米、幾十納米、幾百納米甚至毫米尺度，團隊通過對氫鍵配對、堿基堆積和形狀匹配等化學自組裝過程的設計、調控與剪裁，構建了一系列框架核酸組裝體。

目前納米材料眾多，包括納米金、碳納米管、石墨烯以及各種高分子納米材料等，DNA 程序化組裝所打造的框架核酸有何獨特之處呢？樊春海說：“雖然目前有很多納米級材料可以選擇，但很多時候它們的尺寸和形貌并不精確，只能是分布在一定范圍內，很難實現精確控制。與之相對的是通過DNA編程自組裝的框架核酸具有單一分子量，結構精確、尺寸形貌可控、力學特性可調等特點，為調控細胞跨膜過程、活體器官靶向提供了先進材料與工具?！?/p>

近年來，功能性核酸分子在新藥開發(fā)中日益受到廣泛關注，但在生理環(huán)境下核酸分子通常結構穩(wěn)定性差、細胞攝取效率低，這也成為功能性核酸新藥開發(fā)的一大“瓶頸”。樊春海團隊通過對不同形狀、不同大小的核酸組裝體跨膜過程研究發(fā)現，四面體框架核酸結構能高效突破細胞膜界面靜電屏障，為解決核酸分子向活細胞內遞送的難題提供了解決方案?？蚣芎怂岬木_編程使其不但可以幫助功能性核酸分子跨膜，也為更多的生物分子和它們的分子識別過程研究提供更好的場景，比如核酸—蛋白質的識別或是蛋白質—蛋白質的識別等，這些分子識別是生命體內各種信號轉導過程的基礎。

揭示單分子水平上的抗體—抗原相互作用能夠加深人類對免疫學的理解以及對一些疾病的認知，但晶體或冷凍條件下的結構測定不能為解決瞬時的、生理上或病理上相關的功能性抗體—抗原復合物提供時間分辨率。樊春海與團隊開發(fā)了一個三角形的框架核酸，在上面編碼了具有空間位點特異性的人工抗原表位，以捕獲免疫球蛋白IgG 在室溫下的瞬態(tài)構象，這使得原子力顯微鏡(AFM)可以直接成像功能復合物，為病毒中和、診斷檢測和癌癥免疫治療等各種應用提供了線索。樊春海團隊建立了一系列用于激活細胞免疫反應的框架核酸藥物，獲得了比傳統(tǒng)藥物遞送方式高兩個數量級的激活效率，并成功應用于動物免疫增強治療，上述一系列工作為發(fā)展活細胞框架核酸診療奠定了方法學基礎。

樊春海院士表示：“框架核酸領域依然有著廣闊的空間有待探索，最關鍵的是我們在納米水平第一次可以對框架分子進行精確的操控和編程，這是很多其他材料分子難以做到的。未來具有‘智能’的DNA 納米機器人也許可以進入血管，進入細胞執(zhí)行診療功能，相信科技的進步一定會給我們帶來更多的驚喜?！?/p>

助力尋找抗抑郁新藥

喜怒哀樂等情緒的背后大腦里面發(fā)生了怎樣的變化？歡喜或悲傷是怎樣影響了個體的行為和抉擇？浙江大學胡海嵐教授的工作正是去解碼大腦對情緒的編碼和調控。胡海嵐在國際上首次建立了外側韁核活動與抑郁情緒的分子聯系，創(chuàng)新提出了抑郁癥的致病機理，解析出的環(huán)路及分子機制為抑郁癥的診療提供了全新的理論框架和系列靶點。

作為典型的情緒相關疾病，抑郁癥近年來越來越引起人們的重視，傳統(tǒng)理論認為大腦中的一些化學物質如與情緒、活力相關的多巴胺、5 羥色胺等單胺類遞質的減少引起了抑郁癥，目前的抗抑郁藥物大都基于這一認識來提高全腦單胺類遞質的濃度，但傳統(tǒng)抗抑郁藥物起效緩慢，多在6～8 周以上且只有20%左右的患者起效，提示傳統(tǒng)抗抑郁藥物可能只是間接起作用，目前對抑郁癥機制的了解還沒有觸及其核心。

近年來在臨床上意外發(fā)現麻醉劑氯胺酮在低劑量下具有抗抑郁效果，并且起效快、作用廣，這一現象引起了科學家與臨床醫(yī)生的巨大興趣。胡海嵐及其團隊也在一系列研究中以理解氯胺酮的快速抗抑郁機制為切入點，從分子細胞、神經環(huán)路層面提出了抑郁癥的新機制模型，為人類進一步認識與治療這一棘手頑癥帶來了希望。2018年2月胡海嵐團隊破紀錄地在同一期《自然》雜志發(fā)表了兩篇研究論文，闡述了相關的結果。研究人員首次揭示了大腦外側韁核的一種被稱為簇狀放電的特殊神經活動方式是抑郁癥發(fā)生的充分條件，外側韁核是大腦中海馬體下方的一個小小的核團，是“大腦的反獎賞中心”，介導了人的恐懼、緊張、焦慮等許多負面情緒，它與中腦“獎賞中心”的單胺核團相互“拮抗”，左右著人們的情緒。

胡海嵐解釋說：“正常情況下外側韁核的神經元會通過單個放電，向下游傳遞信息，但是如果放電模式變成高頻的簇狀放電，就會造成對獎賞中心的過度抑制而導致抑郁癥。這種簇狀放電依賴于大腦中最主要的興奮性遞質谷氨酸受體NMDAR，而氯胺酮正好是NMDAR的阻斷劑，通過阻斷NMDAR 和簇狀放電氯胺酮可以釋放外側韁核對獎賞中心的抑制，從而快速改善情緒?！?/p>

胡海嵐團隊在國際上首次建立了外側韁核活動與抑郁情緒的分子聯系，顛覆了傳統(tǒng)抑郁癥核心機制上流行的“單胺假說”，形成了以韁核這一大腦“反獎賞中心”為核心的學術體系，創(chuàng)新了抑郁癥這一重大疾病的致病機理。在臨床轉化方向通過對抑郁癥在分子、細胞和神經環(huán)路層面的綜合解析，為研發(fā)氯胺酮替代品、避免其成癮等副作用提供了新的可能，胡海嵐團隊還鑒定出了谷氨酸受體NMDAR、Kir4.1 鉀通道、T-VSCC 鈣通道等多個可成藥的快速抗抑郁分子靶點。

胡海嵐說，“雖然抑郁癥藥物研發(fā)道路很漫長，但是我們已經看到了曙光，科學家和制藥工業(yè)已經邁出了關鍵的第一步。盡管氯胺酮本身有成癮性等副作用，但它的出現給我們打開了一扇窗口，啟發(fā)我們更深入地去了解抑郁癥真正的核心致病機制，并在理解的基礎上去開發(fā)其他更有效、副作用更小的藥物?！?/p>

目前，全球已有數個實驗室都在不同的抑郁癥動物模型中發(fā)現了同樣的特征放電方式，胡海嵐團隊也正在與多家機構開展合作研究，測試一系列基于該機制的老藥和新化合物的抗抑郁效果。有研究發(fā)現與其它經典的抗抑郁藥物不同，盡管氯胺酮在體內的半衰期只有3 個小時，但氯胺酮一次給藥后藥效可以持續(xù)長達一周。在前期工作闡明了氯胺酮起效“快速性”機理基礎上，胡海嵐正聚焦于氯胺酮藥效的持久性以及腦區(qū)特異性研究，團隊未發(fā)表的工作逐漸顯示這些藥物特性揭示的正是以韁核NMDAR 活動為核心的統(tǒng)一理論，從這一長效性工作獲得的啟發(fā)也展現出了抑郁癥新藥研發(fā)的廣闊前景。

胡海嵐認為，抗抑郁藥物研發(fā)除了要關注靶點以外，還需要更多地關注藥物與靶點的作用方式和藥物本身的藥化、藥代特性，以便幫助開發(fā)臨床上更有效的藥物。同時作為科研工作者要勇于創(chuàng)新，不要被領域內的經典假說所禁錮，氯胺酮之所以脫穎而出成為抗抑郁藥的“新星”，恰好正是印證了這一點。

新冠疫情再次敲響警鐘，人類預防、診斷和治療疾病的手段還非常有限，需要在生命科學領域不斷實現創(chuàng)新和突破。值得一提的是今年有多位獲獎科學家的研究成果對抗擊疫情起到了重要的推動作用。西湖大學周強研究員解析了新冠病毒細胞表面受體ACE2 的全長三維結構，以及ACE2 與新冠病毒S 蛋白受體結合結構域復合物的三維結構，為開發(fā)針對性藥物、抗體和疫苗提供了結構基礎；中國科學院上海藥物研究所許葉春研究員研發(fā)的新冠病毒主蛋白酶抑制劑具有良好的成藥前景；四川大學華西醫(yī)院生物治療國家重點實驗室李炯教授參與研發(fā)的新冠病毒疫苗已經進入臨床試驗階段。