现代医学中，许多关键药物如胰岛素和部分疫苗都源于蛋白质——这些在体内执行特定功能的复杂分子。然而，蛋白质极为脆弱，一旦发生聚集或降解，药物效力便会大打折扣。长期以来，科学家们一直在寻找保持这些药物在制造、储存和使用过程中稳定的方法。氨基酸作为蛋白质药物的稳定剂已被广泛应用，但其作用机制一直缺乏系统性理解。现在，麻省理工学院(MIT)的一项国际研究团队填补了这一空白，为氨基酸如何增强蛋白质药物稳定性和功效提供了全新见解。
研究突破：从现象到本质
这项由MIT、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)和中国南方科技大学研究人员组成的国际团队，在《自然》杂志上发表了一项突破性研究，首次系统解释了氨基酸如何稳定蛋白质。研究团队发现，游离的氨基酸在细胞中具有调节蛋白质和其他分子相互作用的重要功能，有助于维持平衡和稳定性。
"蛋白质相互作用的调控确实非常关键，"论文通讯作者、MIT材料科学与工程系的Alfredo Alexander-Katz教授表示，"这不仅对药物配方很重要，对细胞生命周期同样重要。"
创新理论：蛋白质与氨基酸的"魔术贴"效应
Alexander-Katz教授将蛋白质比作带有魔术贴的球体：它们会相互粘附形成团块，减少了与水和其他必需材料相互作用的表面积，从而限制了蛋白质药物如胰岛素的效能发挥。而氨基酸则像漂浮的魔术贴碎片，能够附着在这些蛋白质球体的表面位点上，阻止它们聚集，从而提高蛋白质药物的效力。
"最初我向合作者提出这一理论时，心想'这不可能成功，太简单了'，"Alexander-Katz回忆道，"但经过EPFL团队巧妙调整后，我收到了实验测试图表，发现'这个理论确实有效，完全符合我们的实验数据'。"
这一理论解释了为何添加脯氨酸等特定氨基酸能使胰岛素在血液中的生物利用度大幅提高，功效翻倍，意味着糖尿病患者可能需要更少剂量。
广泛应用：超越蛋白质的稳定性解决方案
研究团队发现，这种氨基酸稳定效应不仅限于蛋白质，同样适用于其他胶体系统。胶体是指液体中固体颗粒的悬浮液，从牛奶到流沙都属于此类。团队还证明，分子组合也能产生相同的稳定效果。
"在细胞内，生物学以某种方式利用其分解的'废弃物'，将其转化为碎片来调控重要过程，"Alexander-Katz解释道。例如，盐分已知会破坏生物系统，"当植物接触到盐水时，会产生更多氨基酸，部分是为了对抗渗透效应，但部分很可能是为了稳定细胞内的蛋白质悬浮液。盐会使蛋白质不稳定，而氨基酸则会通过稳定作用来抵消这一影响。"
这些稳定作用通过非常弱的相互作用实现，"这些相互作用几乎难以测量，但数量众多，肯定会产生强烈影响，"他补充道，"这种现象普遍存在：大多数氨基酸都能起到这种作用。"
药物开发：从经验到理性的转变
Alexander-Katz指出，生物制剂——如胰岛素、疫苗或源于生物体的基因疗法等药物——在现代医学中扮演着越来越重要的角色。"我们越来越多地研究源于蛋白质的治疗方法，而稳定它们的方法至关重要，因为通常需要高浓度储存并保持稳定的保质期。"
斯坦福大学材料科学与生物工程副教授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，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正在不断增长。像这样的新方法对于开发能够解决关键未满足医疗需求的下一代药物产品至关重要。"
虽然氨基酸此前已被用作稳定剂，"我们的贡献在于提供了一种更理性的思考方式，"Alexander-Katz表示，"未来，我们能够为制药或其他行业实现这些配方的理性设计。"
实践验证：胰岛素实验的显著成果
在胰岛素实验中，团队证明了这一过程对具有重大医学意义的分子同样有效。通过用脯氨酸处理胰岛素分子，"它大大提高了生物利用度，"Alexander-Katz指的是药物到达血液的比例，"其活性显著增加，因此不仅更稳定，而且更活跃。"
由于测试的氨基酸已在标准医疗中使用，Alexander-Katz认为，应用这一新方法应很少有监管问题，"这可能比传统方法更快地应用于现实世界。"
"我们在这里学到的东西可能在多种疾病治疗中有非常有趣的应用，"他补充道，"我希望业界能够接受并应用这一技术，以增进人类健康福祉。"
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外，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。
这项研究得到了瑞士国家科学基金会、欧盟地平线2020研发计划以及雀巢研究基金会的支持。
未来展望：蛋白质药物的新时代
这项研究不仅为理解氨基酸如何稳定蛋白质提供了理论基础，更重要的是，它为蛋白质类药物的开发开辟了新途径。通过理性设计氨基酸配方，科学家们可以创造出更稳定、更有效的蛋白质药物，延长保质期，减少给药频率，提高患者依从性。
随着生物制药技术的不断发展，蛋白质药物在癌症治疗、罕见病治疗、疫苗开发等领域的应用日益广泛。这项研究为解决蛋白质药物面临的稳定性挑战提供了全新思路，有望推动整个生物制药行业的创新与进步。
未来，随着这一理论的进一步验证和应用，我们可能会看到更多基于氨基酸稳定技术的蛋白质药物问世，为患者带来更安全、更有效的治疗选择，同时也为医药行业带来新的发展机遇。
