在当今医学领域，蛋白质类药物已成为治疗多种疾病的重要工具，从胰岛素到各类疫苗，这些基于复杂分子的药物在人体内执行特定功能。然而，蛋白质的稳定性问题一直是制药行业面临的重大挑战——蛋白质容易聚集或降解，导致药物效果降低。近日，麻省理工学院(MIT)的一项突破性研究为这一问题提供了全新的解决方案，揭示了氨基酸作为蛋白质稳定剂的深层工作机制。
研究背景：蛋白质药物的稳定性困境
许多现代药物，包括胰岛素和部分疫苗，都是由蛋白质制成的复杂分子。蛋白质在人体内执行特定功能，但它们极其脆弱：在生产、储存和使用过程中，如果蛋白质分子相互聚集或结构被破坏，药物效果就会大打折扣。
长期以来，科学家们一直在寻找方法来保持这些蛋白质药物在各个环节的稳定性。氨基酸作为稳定剂已被用于某些蛋白质疗法，但其作用机制一直缺乏系统性理解。MIT、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)和中国南方科技大学的研究团队近日在《自然》杂志上发表的研究成果，填补了这一知识空白。
突破性发现：氨基酸的"魔术贴"效应
研究团队开发了一个普适性理论，解释了氨基酸如何稳定蛋白质。该理论将蛋白质比作带有魔术贴补丁的球体：这些补丁使蛋白质相互粘连形成聚集体，减少了与水和其他必要物质的接触面积，从而限制了药物如胰岛素发挥作用的效率。
然而，如果氨基酸像漂浮的魔术贴碎片一样，它们可以附着在蛋白质球体的表面补丁上，阻止蛋白质聚集，从而提高药物蛋白质的有效性。
"蛋白质-蛋白质相互作用的调节非常关键，"研究的通讯作者、MIT材料科学与工程系的Alfredo Alexander-Katz教授解释道，"这不仅对制剂配方重要，对细胞生命周期同样重要。"
实验证实：胰岛素效果提升一倍
该理论得到了实验数据的强有力支持。在胰岛素实验中，研究人员通过添加脯氨酸氨基酸，使胰岛素的生物利用度大幅提高，使其在血液中的活性增加了一倍，这意味着糖尿病患者可能需要更少的剂量。
"氨基酸使胰岛素的生物利用度大大提高，"Alexander-Katz教授指出，"其活性显著增强，所以它不仅更稳定，而且更有效。"
由于测试的氨基酸已在标准医疗中使用，应用这一新方法应很少有监管问题。Alexander-Katz教授表示："这可能比传统方法更快地应用于现实世界。"
理论的广泛适用性
这一发现的影响远不止于蛋白质药物。研究团队还表明，氨基酸不仅能稳定蛋白质，也能稳定其他胶体，因此这不是蛋白质特有的效应。胶体是液体中的固体颗粒悬浮液，从一杯牛奶到流沙都属于胶体范畴。
在细胞环境中，氨基酸的作用尤为重要。Alexander-Katz教授解释道："细胞制造蛋白质然后分解它们，虽然不能说是完美的回收者，但它确实回收了大量制造的材料。"
以盐对生物系统的影响为例："如果你用盐水浇灌植物，它会产生更多氨基酸。部分原因是抵渗透效应，但部分原因很可能是为了稳定细胞中的蛋白质悬浮液。盐会 destabilize 蛋白质，而氨基酸会通过稳定它们来抵消这种影响。"
研究方法的创新价值
虽然氨基酸之前已被用作稳定剂，但MIT团队的研究贡献在于提供了一种更理性思考这一问题的方法。Alexander-Katz教授表示："我们的贡献可能是提供了一种更理性的思考方式，未来我们能够实现这些配方的理性设计，应用于制药或其他行业。"
斯坦福大学材料科学与生物工程系副教授Eric Appel评价道："蛋白质药物已成为我们对抗多种疾病最重要的治疗手段之一，对开发更好的配方以提高这些药物产品的安全性和有效性的需求不断增长。像这样的新方法对于能够解决关键未满足医疗需求的下一代药物产品开发至关重要。"
研究团队与支持
该研究的共同第一作者是EPFL的Ting Mao、Xufeng Xu、Pamina Winkler和Cécilia Siri，除Alexander-Katz教授外，其他通讯作者还包括中国深圳南方科技大学的Zhi Luo，以及EPFL的Quy Ong和Francesco Stellacci。
研究得到了瑞士国家科学基金会、欧盟地平线2020研究与创新计划以及雀巢研究基金会的支持。这项开放获取的研究成果近期发表在《自然》杂志上。
未来应用前景
Alexander-Katz教授对这一研究的未来应用充满期待："我们在这里学到的东西可能有非常有趣的应用，可用于多种疾病，我希望行业能接受并利用它来改善人类健康。"
随着生物制剂——源自生物体的药物如胰岛素、疫苗或基因疗法——在医学中变得越来越重要，这种稳定方法的价值将进一步凸显。Alexander-Katz教授强调："我们越来越多地研究源自蛋白质的治疗方法，拥有稳定它们的方法——因为你通常希望它们保持高浓度并具有稳定的保质期——这真的非常重要。"
这项研究不仅为蛋白质药物的开发提供了新思路，还可能扩展到其他需要稳定胶体系统的领域，为材料科学和生物医学工程开辟新的研究方向。随着理论的进一步完善和应用，我们有理由期待未来会出现更稳定、更有效的蛋白质药物，为患者带来更好的治疗效果和生活质量。
