蛋白质药物的结构对于理解其作用机制、相互作用和生物活性至关重要。蛋白质晶体在探索蛋白质药物的药理学方面起着非常关键的作用。在微重力（microgravity）环境中生长的晶体通常比地球上的晶体更大、更有序、质量更高。这种高质量的晶体可以提供更清晰的X射线衍射图像，有助于研究人员更准确地解析药物分子的结构，获得更精准的结构信息，揭示药物与靶分子之间的相互作用，从而开发出有效性和安全性更佳的药物。

       微重力蛋白晶体应用案例

       例如人锰超氧化物歧化酶 (MnSOD，Human manganese superoxide dismutase) 是一种存在于线粒体基质中的氧化还原酶，通过质子转移催化超氧化物（superoxide anion）经过歧化反应转化为氧气和H2O2（图1）。这个过程对于人体抵御活性氧物质（ROS，Reactive Oxygen Species）具有非常重要的意义。

       图1. SOD（超氧化物歧化酶）催化超氧化物分解为氧气与双氧水的反应。

       在研究MnSOD的机理过程中，尽管人们进行了大量的实验和 X 射线晶体结构，但 MnSOD 功能背后的确切化学原理尚不清楚，因为导致超氧化物消除的关键的逐步质子转移尚不清楚。对 MnSOD 催化的原子理解要求质子可视化，可以通过中子晶体学来实现。生长大体积且完 美的晶体是一项艰巨的任务，但可以通过微重力晶体生长来实现，其产物可应用于基于中子衍射的蛋白质药理学研究。在这种机理研究的突破之后，研究人员有望开发出更有效的超氧化物歧化酶药物。

       微重力蛋白晶体特征

       大多数晶体都存在一定程度的生长缺陷，这些"缺陷"可被视为"完 美小晶体"出现在了错误的位置，这种随机的错位形成所谓的"晶体马赛克" （图2）。这些晶型上的缺陷会导致衍射峰加宽或模糊，从而降低中子和 X 射线衍射数据的质量，因此晶体学家的目标是最大限度地减少这些蛋白晶体缺陷，从而更好地洞察蛋白质结构，深入了解它们的药理学。生长大体积且完 美的晶体是一种解决方案，但道阻且长。微重力晶体生长技术的发展为这一希望的实现增加了砝码。

       由于结晶过程会降低局部系统的熵，因此必须在结晶过程中尽可能实现大的焓变才能使该过程自发进行（吉布斯自由能为负）。通常来说，这是通过使溶液中的蛋白质过饱和来实现的。一旦成核发生，晶体就会生长，直到局部蛋白质浓度降至溶解度以下。为了使晶体持续生长，必须建立一个传质系统，将蛋白质分子从本体溶液移动到晶体与溶液之间的界面，从而保持结晶界面的持续过饱和。但是当结晶过程中出现对流时（由于蒸汽扩散或重力作用），会产生晶体生长的异质环境，导致大晶体中出现高镶嵌性的缺陷晶型。 微重力下实现大型晶体生长的机理，主要就是减少对流过程对结晶的影响。在微重力环境下，流体对流减少，分子移动得更慢，温度可以得到更精确的控制。这样可以减少晶体缺陷，提高晶体尺寸和均匀性。

       图2. 晶体马赛克示意图以及晶体马赛克对于晶体衍射的影响。a) 没有镶嵌性的完 美晶体产生高质量的衍射数据（左图）。 晶体堆砌完 美，不同波长的入射光（以绿色、蓝色和红色示意）一起衍射，形成具有高信噪比的清晰衍射。 b）有缺陷的晶体具有高镶嵌性，从而产生质量较差的数据。会导致无归的衍射和较低的信噪比。 （图片来源：npj Microgravity）

       微重力晶体在药物开发中的意义

       微重力晶体在药物开发中具有重要的意义，主要体现在药物结构解析、药物设计和药效学研究等方面。

       • 药物结构解析

       高质量晶体和结构完整性：在微重力环境中生长的晶体通常比地球上的晶体更大、更有序、质量更高。这种高质量的晶体提供了更清晰的X射线衍射图像，有助于研究人员更准确地解析药物分子的结构。

       精准的结构信息： 药物分子的结构对于理解其作用机制、相互作用和生物活性至关重要。通过微重力晶体生长，可以获得更精准的结构信息，有助于揭示药物与靶分子之间的相互作用。

       • 药物设计

       优化药物性质： 通过在微重力环境中研究晶体结构，研究人员可以更好地理解药物分子的立体构型和空间排布。这有助于优化药物的性质，提高其生物利用度、稳定性和溶解度。

       降低药物副作用： 对药物分子的结构进行更深入的了解有助于设计更特异和选择性的药物，从而降低药物副作用，提高药物的安全性。

       • 药效学研究

       解析药物与靶分子的相互作用：通过微重力晶体生长，研究人员能够更清晰地解析药物与生物分子之间的相互作用。这对于理解药物的机制、如何与生物体内的分子相互作用以及药效的产生机制非常关键。

       精准药物定制： 通过了解药物分子的结构和相互作用，研究人员可以更精准地定制药物，使其更适合特定的治疗目标，提高治疗效果。

       微重力蛋白晶体研究现状以及展望

       JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）是活跃于微重力蛋白质晶体生长研究的机构之一。JAXA 的蛋白晶体生长的一系列研究提供了许多蛋白质类型的精确结构（图3），显著地推动了药物发现。其中一项研究检查了与杜氏肌营养不良症（DMD）相关的蛋白质的晶体结构。微重力结晶研究产生了几种有前途的化合物，包括一种名为 TAS-205 的分子。 它的3 期试验已于 2020 年 12 月开始并将持续到 2027 年。

       图3. JAXA在微重力环境下结晶出的蛋白质晶体。（图片来源：JAXA）

       初创公司 LambdaVision Inc. 在开发色素性视网膜炎（一种导致失明的遗传疾病）的项目中选择蛋白质基质的人工视网膜作为方向。制造视网膜需要在聚合物网格骨架中沉积 200 层薄如纸的光敏蛋白质（图4）。蛋白层必须完 美均匀，视网膜才能正常工作，但这一过程在地球上很难实现。从 2018 年底开始，LambdaVision Inc.将目光对准了国际空间站，希望那里的微重力能够帮助他们克服地球人无法解决的问题。迄今为止，LambdaVision Inc.已向空间站发送了八次实验，极大地提高了生产质量。LambdaVision CEO Nicole Wagner)表示，在太空中可以获得均匀的蛋白质层，并且浪费的材料更少。LambdaVision的目标是"太空造、地球用"。

       图4. LambdaVision Inc.研发中的植入人工视网膜。（图片来源：UConn Photo）

       印第安纳波利斯巴特勒大学的研究人员于 2022 年发表的一项研究发现，太空中产生的各种类型晶体中 90% 具有一种或多种改进的特性，其中包括许多制药商想要的特性，包括大晶体、结构更佳、均一性更好、分辨率增加、镶嵌性改善等。

       大型制药公司也越来越重视微重力环境下晶体生长为药物研发带来的益处，例如礼来已与国际空间站合作，研究他们的上市与管线糖尿病、疼痛症和心血管疾病药物的晶体生长。 默沙东早在2019 年就发表了一项研究报告，表明微重力条件下的蛋白质结晶对他们的肿瘤药物Keytruda带来了效力上的提升。 Keytruda是默沙东最重要的资产，很有可能在2023年取代AbbVie的Humira而登上药王宝座。Keytruda 2023年的全球销售额将超过200亿美元。

       与许多癌症重磅炸 弹药物一样，Keytruda也是一种单克隆抗体，必须在医疗办公室缓慢注入患者体内。如果可以开发出在家中进行简单注射的高浓度版本Keytruda并申请专利，这无疑会给默沙东带来更大的利润，这也解释了他们在剂型上下如此大力气的原因。在 2017 年进行的空间站实验中，默沙东发现了一种将更多 Keytruda 晶体装入快速流动的悬浮液中的方法，并找到了如何在地球上复制这一过程的工艺。新的剂型有望很快进入人体试验。

       国际太空站（图片来源：NASA）

       默沙东的竞争对手百时美施贵宝公司也在进行太空蛋白质药物研究。 BMS称，在太空中可以获得质量更好、更均匀的晶体。虽然BMS没有透露具体开发药物的品种，但分析师猜测，遨游在太空的BMS产品很可能是肿瘤药物 Opdivo，被视为Keytruda 的直接竞争对手，年销售额接近100亿美元。

       目前默沙东和百时美施贵宝公司都在尝试太空实验触发、地面生产的混合方案。就是利用太空的微重力环境来生产少量的蛋白质晶种，然后将其带到地球上进行扩大生产。像Keytruda和Opdivo这样的重磅炸 弹药物，实现太空的完全供应是不现实的。实际上，Keytruda的每次空间实验站生产出来的产量，只够一剂Keytruda需求。然而，对于那些剂量极低的蛋白质药物，例如人造视网膜，在不远的未来，实现完全的商业化Made in Space并非痴人说梦。

       参考资料：

       [1] Darwin, C. G. The reflexion of X-rays from imperfect crystals. Lond., Edinb., Dublin Philos. Mag. J. Sci. 43, 800-829 (1922).

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       [4] Wright, H. et al. An Analysis of Publicly Available Microgravity Crystallization Data: Emergent Themes Across Crystal Types. Cryst. Growth Des. 2022, 22, 12, 6849-6851

       [5] Kansteiner, F. Eli Lilly, Redwire head to space to explore next frontier of drug development. FiercePharma. 30. 10. 2023.

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       [7] Kansteiner, F. Bristol Myers Squibb shoots for the stars with next leg of International Space Station biomanufacturing project. FiercePharma. 17. 03. 2023.

       [General] Langreth, R. Drug Companies Explore Making Some of Their Most Lucrative Drugs in Space. Bloomberg. 05. 12. 2023.