肝素恐被淘汰新分子模仿吸血生物的抗凝血作用

肝素恐被淘汰 新分子模仿吸血生物的抗凝血作用

大自然赋予了蜱虫、蚊子和水蛭一种快速行动的方式，在它们从宿主身上榨取“食物”时防止血液凝固。现在，米国杜克大学的一个研究小组利用了这种方法的关键，将其作为一种潜在的抗凝血剂，可以在血管成形术、透析护理、手术和其他手术中作为肝素的替代品。

研究人员5月10日（当地时间）在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表文章，描述了一种模拟吸血动物唾液中化合物作用的合成分子。重要的是，这种新分子也可以迅速逆转，使治疗后需要时恢复凝血。

杜克大学医学中心（米国北卡罗来纳州）

杜克大学医学院外科、细胞生物学、神经外科、药理学和癌症生物学教授、资深作者Bruce Sullenger博士指出：

生物学和进化多次发现了一种非常有效的抗凝血策略，这是一个完美的模式。

Sullenger与杜克大学和宾夕法尼亚大学的同事们——包括主要作者，Sullenger实验室的成员Haixiang Yu（于海翔, 音译）博士——从观察到所有的吸血生物都进化出了类似的抑制血液凝固的系统开始。

它们唾液中的抗凝剂通过双管齐下的过程，结合到宿主血液中某些凝血蛋白的表面，并进入蛋白质的核心，在血餐期间暂时灭活凝血。

研究论著第一作者：米国杜克大学外科学系 于海翔（音译）博士。

吸血生物在参与凝血的20多个分子序列中针对不同的蛋白质，但研究小组集中在工程分子上，以人类血液中的凝血酶和Xa因子为目标，实现了对这些蛋白质的双重作用抗凝血功能。

下一个挑战是设计一种方法来逆转这一过程，这对临床应用至关重要，以确保人们不会出血。随着激活机制的完全阐明，研究人员能够逆向工程一种解毒剂，迅速恢复凝血。

Yu（于）博士表示:

我们相信这种方法对病人来说更安全，产生的炎症也更少。

另一个优点是它是一种合成分子，不像过去100年的临床标准肝素。肝素是从猪肠中分离出来的，需要大规模的农业基础设施，这会产生污染和温室气体。

Sullenger指出：

这是对改善药物的新热情的一部分，这些药物可以控制血液凝固来帮助患者，同时从气候的角度来看也是负责任的。医学界开始意识到这是一个大问题，我们需要找到用动物来制造药物的替代方法。

附：

研究背景信息

吸血生物，如水蛭、蜱虫、蚊子和线虫，利用凝血蛋白酶的强效抑制剂来获取血食。这些抑制剂通常是肽，通过外源位点和活性位点相互作用与目标蛋白酶结合，以满足吸血过程中高效和快速起效的生物学需求。

这种策略的例子是药用水蛭中的水蛭素，它利用一个N端活性位点结合基序连接到一个结合阴离子结合外源位点I (ABE1)的C端区域来靶向凝血酶。

这两个基元协同作用于结合，并达到10-11M的抑制常数(Ki)，当任何一个结构域的结合受损时，Ki会受到很大影响。

非洲钝缘蜱(Ornithodoros moubata)分泌的蜱类抗凝肽(TAP)也通过同时结合蛋白酶的活性位点和延伸表面实现对Xa因子的有效抑制，并通过类似的机制抑制游离因子Xa (Ki = 0.18 nM)和凝血酶原内的复合因子Xa (Ki = 5.3 pM)，从而实现有效的抗凝作用。

不同的吸血生物对这类二价抑制剂的进化激发了上述研究团队去追求一种合成的但类似的双功能工程策略，使用小分子活性位点抑制剂与外源位点结合适体连接。

在这项研究中，通过评估这些EXosite和ACTive site (EXACT)抑制剂的结合和抑制机制，研究团队发现EXosite结合适体可以用来调节小分子片段的表观结合亲和力和靶标选择性。

这一特性可用于控制EXACT抑制剂的效力、特异性和解毒剂介导的可逆性。这种受生物启发的EXACT抑制剂策略可推广到不同的适体-小分子组合，因此代表了一种分子工程方法，可为多种对健康和疾病失调至关重要的酶产生有效的、选择性的和可逆的抑制剂。

原文图1：凝血酶结合EXACT抑制剂的合理设计。

原研究概要

有效和选择性抑制结构上同源的凝血蛋白酶对药物开发提出了挑战。

噬血生物通常通过形成结合外源位点和活性位点结合基序的肽抑制剂来实现这一目标。

受这种生物学策略的启发，上述研究团队通过将外位点（exosite）结合适体与小分子ACTive位点抑制剂连接，创建了几种靶向凝血酶和新的因子Xa的EXACT抑制剂。

EXACT抑制剂中的适体成分(1)与小分子活性位点抑制剂协同作用，并将其效力提高数百倍(2)可以将活性位点抑制剂的选择性转向不同的蛋白酶，(3)通过解毒剂破坏二价结合来有效逆转抑制作用。

一种EXACT抑制剂HD22-7A-DAB显示出非凡的抗凝活性，显示出作为一种有效的、快速起效的抗凝剂支持心血管手术的巨大潜力。

利用这种可推广的分子工程策略，通过简单的寡核苷酸偶联，可以创建针对许多酶的选择性，强效和快速可逆的EXACT抑制剂，用于许多研究和治疗应用。

研究意义

小分子活性位点抑制剂已被证明具有不可思议的临床价值，用于研究和调节涉及许多人类疾病的酶；它们用于靶向凝血因子来治疗和预防心血管疾病和中风的效果特别显著。

然而，考虑到小分子的低结合表面和不同但相关的酶的活性位点之间的相似性，开发这种具有高靶向亲和力和选择性的抑制剂可能是具有挑战性的。

受水蛭素和其他针对关键凝血蛋白酶的外源位点和活性位点的抗凝血剂的启发，上述研究团队表明这种自然概念可以很容易地通过化学合成的结合剂纳入合理的药物设计；这种分子工程产生了一代有效且快速可逆的EXACT抑制剂，可区分结构同源酶，如凝血酶和Xa因子。

一旦它们的药效学特性在各种临床应用中得到优化，这些强效和可逆的抗凝剂可能提供更有效和更安全的治疗方法，以改善每年数百万心血管和中风患者的急性护理。