俗話說，一朝被蛇咬，十年怕井繩。一條蛇究竟能有多毒？

據(jù)科學(xué)家統(tǒng)計(jì)，蛇類的特異性死亡率在2%左右。其中一些致死率更高的蛇類，如眼鏡王蛇，其致死率高達(dá)60%，被咬后30分鐘得不到救治就會(huì)導(dǎo)致死亡。

然而，一個(gè)多世紀(jì)以來，蛇毒治療方法幾乎沒有變化，相關(guān)抗體提取不僅成本高昂，且作用有限。現(xiàn)在，2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、被喻為“上帝之手”的美國華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授David Baker與丹麥技術(shù)大學(xué)的Timothy Patrick Jenkins帶領(lǐng)合作團(tuán)隊(duì)，利用人工智能（AI）技術(shù)開發(fā)出一種可中和致命眼鏡蛇毒素的新型蛋白質(zhì)，有望解決這一困擾醫(yī)學(xué)界的百年難題。相關(guān)研究成果1月15日發(fā)表于《自然》。

“這項(xiàng)研究是開創(chuàng)性的，在幫助治療蛇咬傷者方面開辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。毫無疑問，這么出色的研究值得在《自然》雜志上發(fā)表?！痹撜撐牡囊晃粐H審稿人說。

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致命蛇毒

蛇毒復(fù)雜且致命，每年威脅著數(shù)百萬人的生命。

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球每年有180萬至270萬人受毒蛇咬傷影響，約10萬人因此喪生，30萬人永久性殘疾。

蛇咬傷導(dǎo)致的中毒是一個(gè)全球性的健康問題，尤其在熱帶和亞熱帶地區(qū)。特別是對(duì)撒哈拉以南非洲、南亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和拉丁美洲等資源匱乏地區(qū)的公共衛(wèi)生安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。

世界上現(xiàn)存蛇類有3,000多種，其中約600種有毒。尤其是蝰蛇科（如蝮蛇）和眼鏡蛇科（例如，環(huán)蛇和眼鏡蛇）引起的蛇咬傷，對(duì)人類生命構(gòu)成的威脅最為嚴(yán)重。

蛇毒含有多種復(fù)雜的蛋白質(zhì)和酶，能夠迅速引發(fā)組織損傷、出血、神經(jīng)功能障礙甚至死亡。蛇毒中的三指毒素（3FTxs）是一類高致命的神經(jīng)毒素，能夠迅速引發(fā)一系列病理效應(yīng)，包括肌肉癱瘓、呼吸衰竭和組織壞死。該毒素通過與受害者體內(nèi)的煙堿型乙酰膽堿受體（nAChRs）結(jié)合，干擾正常的神經(jīng)傳導(dǎo)，導(dǎo)致生命威脅的神經(jīng)毒性。

然而，一直以來，醫(yī)學(xué)界的治療手段主要依賴于從免疫動(dòng)物——接種蛇毒抗原的馬和羊的血清中，提取的多克隆抗體。但該方法存在多個(gè)問題，如高昂的成本、有限的效力，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的不可達(dá)性。此外，這些抗體可能引起嚴(yán)重的副作用，如過敏反應(yīng)和發(fā)熱，且在對(duì)抗某些蛇毒中的低免疫原性毒素時(shí)效果不佳。

“抗蛇毒血清的安全性和有效性各不相同，必須由訓(xùn)練有素的工作人員在健康診所給藥，這限制了它們的實(shí)用性?！备缢惯_(dá)黎加大學(xué)克洛多米羅皮卡多研究所的毒素學(xué)家Jose Maria Gutierrez說。

對(duì)此，中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院中醫(yī)內(nèi)科主治醫(yī)師張瑜也表示，若患者未按醫(yī)囑或未經(jīng)專業(yè)人員指導(dǎo)自行使用蛇毒血清，可能會(huì)導(dǎo)致不良反應(yīng)，如發(fā)熱、皮疹等。此外，部分人群可能對(duì)蛇毒血清過敏，無法使用。

蛇毒治療是否存在替代性方案？現(xiàn)在，百余年來醫(yī)學(xué)界一直致力于回答的問題終于有了出路。

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游戲改變者

鑒于蛇毒成分的復(fù)雜性，Baker與Jenkins合作團(tuán)隊(duì)將攻略重點(diǎn)放在了高致命的三指毒素3FTxs上，后者通常是基于免疫動(dòng)物制備的抗蛇毒素失效的原因。

他們采用了深度學(xué)習(xí)技術(shù)，特別是一種叫作RFdiffusion的方法，來設(shè)計(jì)全新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。該方法可以讓他們從頭開始設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，而不是依賴于自然界存在的蛋白質(zhì)。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)聚焦設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)與3FTxs的β-折疊片之間的相互作用，并利用二級(jí)結(jié)構(gòu)和塊鄰接張量來指導(dǎo)RFdiffusion模型，確保設(shè)計(jì)出的蛋白質(zhì)能夠與毒素的特定結(jié)構(gòu)域正確配對(duì)。通過這種方式，研究團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)造出專門針對(duì)三指毒素3FTxs的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在體外實(shí)驗(yàn)中有效地中和了所有三種3FTx亞家族。

“這些蛋白在小鼠身上展現(xiàn)的神經(jīng)毒素保護(hù)效果十分驚人。”論文共同通訊作者Jenkins說。研究結(jié)果顯示，小鼠存活率為80%~100％，具體取決于確切的劑量、毒素和設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)。

研究者開發(fā)的新蛋白不僅可在小鼠模型中保護(hù)其免受致命的神經(jīng)毒素威脅，且具有高穩(wěn)定性，易于通過微生物發(fā)酵策略生產(chǎn)，有望降低成本，提高抗蛇毒療法的可獲得性。

“我們開發(fā)的抗毒素血清僅通過計(jì)算方法就能輕松發(fā)現(xiàn)，其生產(chǎn)成本低，并且在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中表現(xiàn)穩(wěn)定。”Baker說。

這些特點(diǎn)使得這一研究被許多人認(rèn)為是蛇毒治療的“游戲改變者”。《自然》審稿人也表示，這項(xiàng)研究對(duì)生物學(xué)領(lǐng)域一個(gè)非常重要的問題做出了堅(jiān)實(shí)的貢獻(xiàn)。

“3 FTxs毒素非常難用動(dòng)物來源的抗體中和，是蛇毒中毒病理生理學(xué)的核心問題。由于這類蛇毒每年會(huì)奪去數(shù)萬人的生命，因此解決問題十分迫切?！痹撜撐囊晃粐H審稿人說，“這項(xiàng)研究是開創(chuàng)性的，在幫助治療蛇咬傷者方面開辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。

”藥物開發(fā)“新窗口”

2003年，Baker團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出世界上第一個(gè)并不存在于自然界中的蛋白質(zhì)——Top7。雖然Top7只具有結(jié)構(gòu)而無功能，但這標(biāo)志著從頭設(shè)計(jì)蛋白領(lǐng)域的重大突破。

現(xiàn)在，AI從頭設(shè)計(jì)蛋白成功解決百年蛇毒治療難題，表明相關(guān)技術(shù)可用于對(duì)付那些傳統(tǒng)上難以有效解決的有害蛋白質(zhì)。這也為未來藥物研發(fā)打開了一扇新的窗口。

但從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)不依賴于動(dòng)物免疫，可以使用重組DNA技術(shù)制造，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的蛋白質(zhì)供應(yīng)，且易于低成本制造，這正是有效解決蛇咬中毒這一被忽視的熱帶疾病的關(guān)鍵。“我們無需進(jìn)行多輪實(shí)驗(yàn)室測(cè)試就能找到表現(xiàn)良好的抗毒素?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)軟件非常先進(jìn)，我們只需測(cè)試少量分子即可。”Baker指出。

例如，純毒素很難從整個(gè)毒液中分離，或通過重組表達(dá)生成。但在新研究中，AI設(shè)計(jì)能夠創(chuàng)建具有高親和力和特異性的結(jié)合蛋白，而無需依賴純毒素廣泛的實(shí)驗(yàn)篩選程序。而且，與大抗體相比，這些設(shè)計(jì)蛋白非常小，為此能更好地滲透組織，從而快速中和毒素，避免局部組織損傷或致命威脅。

盡管研究結(jié)果令人鼓舞，但研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，在可預(yù)見的未來，傳統(tǒng)抗蛇毒素仍將是治療蛇咬傷的基石。AI設(shè)計(jì)的新型抗毒素血清可首先作為補(bǔ)充劑或強(qiáng)化劑，提升現(xiàn)有療法的有效性，直到獨(dú)立的下一代療法獲得批準(zhǔn)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，此次研究中描述的藥物開發(fā)方法對(duì)于其他缺乏治療方案的疾病有所幫助，包括某些病毒感染。由于蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)通常比傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)室的藥物發(fā)現(xiàn)方法需要更少的資源，因此，使用相似的方法還有望為更多的常見疾病生成成本更低的新型藥物。

“除了治療蛇咬傷外，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)還將有助于簡(jiǎn)化藥物發(fā)現(xiàn)過程，特別是在資源有限的環(huán)境中。通過降低有效新藥的成本和資源需求，我們正在朝著每個(gè)人都能得到應(yīng)有治療的未來邁出重要一步?！盉aker說。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08393-x

來源：中國科學(xué)報(bào)