聚合物纳米粒子取代抗体？Nature Chem.报道新型蛋白亲和试剂

蛋白亲和试剂（protein affinity reagents）广泛用于基础研究、诊断和分析、分离纯化以及临床应用，其中最常见也最具代表性的要属抗体了。对于靶标蛋白的高亲和性以及广泛的应用使得抗体几乎成了蛋白亲和试剂的代名词。此外，还有一些正在开发的新型亲和试剂，比如类似抗体的蛋白分子、核酸适体（aptamer，可以结合蛋白的RNA或DNA）、天然或合成的多肽等。不过，这些基于生物分子的试剂都面临着一些难以突破的限制，比如研发周期长、成本高，容易失活而难以生产、运输以及储存。因而，科学家正努力寻找基于非生物分子的蛋白亲和试剂。

抗体结构示意图。图片来源：NIH

要想具有和抗体相当的靶蛋白识别和结合能力，一个非生物亲和试剂应该具备和抗体相当的与靶蛋白表面多点接触和相互作用的性质。合成聚合物（synthetic polymer）因而备受关注，它的柔性使其能够覆盖蛋白质表面，且成本低可大规模生产。此外，它的尺寸、物理性质和亲和力还有可能通过外部刺激（温度、pH等）进行调节，这给它提供了额外维度的控制。然而，合成聚合物通过动力学驱动的自由基聚合形成，因而单体的序列难以控制。实际上，合成聚合物并非纯的物质，其亲和力也只是所有聚合物的平均值。因此，合成一种对蛋白具有足够亲和力，同时保证功能一致的聚合物仍然是一个难题。

日前，来自日本静冈县立大学的Naoto Oku教授、九州大学的Yoshiko Miura教授、美国加州大学欧文分校的Kenneth Shea教授等人合作，在Nature Chemistry报道了对关键血管内皮生长因子（VEGF₁₆₅）具有极高亲和力（达nM量级）的聚合物纳米粒子，它能够抑制该信号蛋白与其受体VEGFR-2的结合以及受体的磷酸化，并阻止下游VEGF₁₆₅依赖性内皮细胞的迁移和对细胞外基质的侵入。体内实验证明这些聚合物纳米粒子可以抑制VEGF介导的新血管形成。更重要的是，作者没有发现这种无毒的聚合物纳米粒子具有任何的脱靶效应，这意味着它识别靶蛋白的特异性也很好。

Naoto Oku教授（左）、Yoshiko Miura教授（中）、Kenneth Shea教授（右）。图片来源：University of Shizuoka / Kyushu University / University of California Irvine

研究人员所采用的策略是先识别VEGF₁₆₅的几个蛋白结构域，比如分别结合受体VEGFR-2和肝素的区域，然后选择可能与这些结构域结合的功能单体，随后合成一系列聚合物，并从中筛选出与VEGF₁₆₅结合能力最强的聚合物纳米粒子。

合成聚合物纳米粒子的单体。图片来源：Nature Chem.

聚合物纳米粒子及其TEM图像。图片来源：Nature Chem.

进一步研究表明，聚合物纳米粒子NP11具有最高的VEGF₁₆₅亲和力（约380 nM），它含有的三硫酸化N-乙酰葡糖胺（3,4,6S-GlcNAc，含量1.7%）可以与VEGF₁₆₅的肝素结合域相互作用，而N-叔丁基丙烯酰胺（TBAm，含量40%）可以与VEGF₁₆₅的受体结合域的疏水表面相互作用。因而，聚合物纳米粒子与VEGF₁₆₅之间强烈的结合力来源于多种相互作用的共同影响。

合成聚合物纳米粒子与VEGF₁₆₅的相互作用示意图。图片来源：Nature Chem.

接着，研究人员利用聚合物纳米粒子NP11，成功地抑制VEGF₁₆₅与其受体的结合以及受体的磷酸化，同时能阻止下游VEGF₁₆₅依赖性内皮细胞的迁移和对细胞外基质的侵入。此外，在小鼠体内的Matrigel胶塞血管生成实验证明NP11能抑制VEGF₁₆₅介导的新血管形成。在0-100 μg/ml浓度范围内，作者也没有发现NP11具有细胞毒性。

聚合物纳米粒子NP11抑制新血管形成。图片来源：Nature Chem.

另外，由于NP11能抑制VEGF₁₆₅与肝素的结合，如果NP11特异性不够高，就很有可能影响其他与肝素有关的生理过程，比如抗凝血。作者因此研究了NP11对抗凝血过程中需要结合肝素的关键酶——凝血因子Xa（FXa）的活性影响，发现100 μg/ml浓度的NP11也不会抑制FXa的活性，没有脱靶效应。

Shea教授表示，通过调整单体的含量和结构，这些聚合物纳米粒子的性能还有进一步优化的空间。考虑到VEGF在抗癌治疗中的火热程度，这项研究的应用前景相当广阔。说起来，这也不是Kenneth Shea教授等人首次尝试用聚合物纳米粒子代替抗体了，之前他们曾用聚合物纳米粒子代替抗蛇毒血清来对付各种蛇毒（点击阅读详细）。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A polymer nanoparticle with engineered affinity for a vascular endothelial growth factor (VEGF₁₆₅)

Nature Chem., 2017, DOI: 10.1038/NCHEM.2749

（本文由冰供稿）