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【熱點應用】看GCI 技術如何攻克小分子藥物實驗難題
本文由馬爾文帕納科醫藥行業應用專家秦怡供稿
小分子藥物研發是一場科學接力賽，從靶點發現到化合物篩選和結構優化，再到臨床試驗，每一步都充滿挑戰。隨著人工智能技術的不斷發展，計算機輔助藥物設計為科學家插上一雙翅膀，助力科學家跑贏這場激烈地接力賽。科學家們借助分子動力學模擬、虛擬篩選等技術可以更加全面地了解藥物分子與靶點蛋白的結合模式，從數以萬計的化合物庫中迅速鎖定最有潛力的候選物，高效、精準地設計出真正有效、安全的藥物。
雖然計算機輔助藥物設計技術大幅提高了小分子藥物開發的效率和精準性，但設計出的新藥仍需實驗技術的最終確認。
光柵耦合干涉技術（Grating-coupled interferometry, GCI）是一種基于表面的非標記分子互作技術，3 mm超長檢測區域賦予了GCI技術超高的靈敏度，即使是低偶聯、低活性及大分子量配體的測試也能獲得高質量數據；雙重進樣口的設計將切換速度提升至150 ms，可敏銳捕捉解離速率為10 s-1的瞬態反應。正是這種切換速度與靈敏度，使GCI技術成為小分子藥物與靶點結合確認環節的黃金拍檔，確保每一次的結合都能被精確無誤地捕捉和驗證。
應用實例：
GCI技術推動轉移性結直腸癌藥物發現
轉移性結直腸癌 （mCRC） 是導致癌癥相關死亡的主要原因之一，但目前仍缺乏有效的治療藥物。巖藻糖基轉移酶8（FUT8）在結直腸癌在內的大多數惡性癌癥中過表達，為潛在的治療靶點。
2023年8月3日，蘇州大學汪維鵬教授和李環球副教授團隊在Cell Death Disease上發表題為 “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，該研究開發了一種強效且具有高度選擇性的小分子 FUT8 抑制劑 FDW028，該抑制劑能顯著抑制FUT8介導的核心巖藻糖修飾，促進免疫檢查點分子B7-H3經分子伴侶介導的自噬（CMA）溶酶體途徑降解，顯著延長轉移性結直腸癌（mCRC）小鼠生存期。
圖1 FDW028 藥理作用機理
目前，通過常規策略開發的小分子抑制劑，面臨生物利用度低、選擇性差等問題。因此，研究者借助分子動力學（MD）模擬、虛擬篩選等技術，解開了FUT8 與小分子結合的關鍵殘基，鑒定出FDW028有望成為FUT8 的新型抑制劑。最終，研究者利用小分子開發黃金搭檔——GCI，將FUT8通過氨基偶聯于PCP芯片表面，FDW028以1:2進行稀釋流過芯片表面（8個濃度，最高濃度為100 μM），運行緩沖液為含3%DMSO的PBS-P緩沖液。通過Kinetics測定出FDW028和FUT8親和力為5.486 μM，證實了 FDW028 與 FUT8 的結合，進一步驗證了FDW028作為酶抑制劑的可行性，為后續動物實驗抗腫瘤活性的評估奠定堅實的基礎。
圖2 FUT8和FDW028結合動力學
GCI技術讓小分子無處可藏
在小分子結合實驗中，特別是在分析大分子量藥物靶標與小分子之間的相互作用時，靈敏度是實現精準分析的核心要素。
傳統技術面對懸殊較大的分子互作分析時，往往需通過提升表面配體的密度來實現Rmax（最大響應值）的優化，以確保結果的可靠性。然而，高分辨率的GCI技術可以精準捕獲較低配體密度下的動力學數據，為研究分子間相互作用提供了新的視角和更寬的動態范圍。
基于GCI技術我們分析了一對分子量為297 Da的小分子與分子量為110 kDa的目標蛋白（由諾華公司提供），分子量比率>350:1，這對于傳統的無標記互作技術來說是一個巨大挑戰。將生物素化的目標蛋白偶聯在PCH-STA芯片表面（表面衍生鏈霉親和素），分析物進行1:3稀釋（9個濃度，最高濃度為10 μM），運行緩沖液為20 mM Hepes、300 mM NaCl、1 mM DTT、2%DMSO，最終通過校正及擬合以獲得結合動力學相關信息。
圖3 297 Da小分子與110 kDa的目標蛋白的結合動力學
借助GCI技術的靈敏度和信噪比，即使在配體密度遠未達到表面飽和的情況下（<1 pg/mm2，相當于1 RU），也能對分子量相差懸殊的相互作用進行可靠測試。這使我們能夠獲取具有清晰的濃度依賴性和高信噪比的優質數據。
GCI技術攻克小分子結合實驗難點
小分子結合實驗難點 | GCI技術優勢應對 |
小分子的分子量極小，測試儀器需要具備高靈敏度 | 3 mm超長檢測區域帶來的檢測靈敏度，檢測分子量無下限 |
小分子的解離速率快，測試儀器需具有快速捕捉解離過程的能力 | 150 ms液流切換速度，捕獲高達10 s-1解離速率 |
小分子的溶解性較差，需要DMSO助溶 | 可耐受高濃度DMSO，waveRAPID全新動力學無需溶劑校正，輕松排除DMSO干擾 |
參考文獻：
[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).
[2] Creoptix TechNote08 Large Drug Targets.