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全新成像技术登上《细胞》!药物在体内的去向,第一次看得如此清晰

▎药明康德内容团队编辑

当你在生病时服下药物、看到自己的症状逐渐好转时,是否想过这样的问题:这些药物分子在自己的身体内都去哪了,它们与哪些细胞的结合更紧密?

解答这些问题,不仅是为了满足好奇心,而且对于理解药物作用机制、推进未来的药物研发都有着重要意义。

不过,这却是一个长期困扰科学界的未解之谜。要追踪小分子药物在体内(尤其是复杂的脑部)的分布细节,就需要在单细胞分辨率上实现小分子药物的成像,看清它们与每个细胞结合的情况。

问题在于,临床上普遍使用的正电子断层造影(PET)无法达到单细胞分辨率;而能够标记分子、实现高分辨率成像的荧光成像技术也存在致命问题:如果直接进行荧光基团修饰, 添加至药物小分子上的荧光基团太大了,可能会明显改变药物性质。

因此,一道难题被摆在所有研究者面前:什么样的荧光标签修饰方式,可以在不影响药物性质的前提下清晰成像?

在一项发表于《细胞》杂志的最新研究中,斯克利普斯研究所Li Ye(叶立)教授带领团队,首次在生物体内实现了单细胞分辨率的小分子药物成像,这项名为CATCH的全新技术将为药物机制的理解与药物研发提供宝贵信息。

▲CATCH实现小分子药物成像的实验流程示意图(图片来源:参考资料[1])

Ye教授团队使用的策略,是近年来备受青睐的“点击化学”。点击化学的概念是由诺奖得主Barry Sharpless教授在2001年提出的。它的核心概念是基于碳-杂原子键结合进行分子组合,如果这个过程可以快速完成多种分子的化学合成,并且产率高、适用性广、副产物无害,那么它就可以被认定为点击化学。

在这项研究中,为了引入荧光基团,研究团队首先在药物上修饰末端炔基,这样的修饰并不会影响小分子药物的活性与选择性,因此它们可以正常抵达身体的目标区域。

当小分子药物就位,点击化学就派上了用途。这项研究使用的是点击化学中最经典的一类反应:铜催化叠氮炔环加成机理(CuAAC)。在这里,炔基与荧光标签分子上的叠氮化物加成、形成一个环状分子,从而实现了较大的荧光标签的引入。

为了检验这一策略的效果,实验使用的具体药物,是经过炔基修饰的脂肪酸酰胺水解酶(FAAH)抑制剂PF7845-yne,这种小分子药物可以与FAAH形成稳定的共价键。

将这一反应应用于小鼠大脑切片时,他们注意到另一个问题:动物组织中的脂质影响了荧光的穿透能力。为了提升穿透效果,研究团队采用组织透明技术,在保持原有细胞形态的同时成功去除了脂质。

随后,研究团队针对CuAAC反应进行了一系列优化,最终实现了动物组织内高效专一的药物标记。这项技术让研究团队在不同器官、不同组织、不同细胞间清晰看到药物分子的结合分布,同时,研究团队实现了大体积组织内的高分辨率三维药物成像。

▲CATCH实现了单细胞分辨率的药物分子成像(图片来源:斯克利普斯研究所)

研究团队将这项新技术命名为透明辅助组织点击化学(Clearing-Assisted Tissue Click Chemistry,简称CATCH)。

接下来,研究团队在小鼠实验中检验了CATCH的应用效果。这项技术展示了不同药物分子在小鼠不同脑区的分布情况,以及这些分子主要靶向的细胞类型。CATCH还为研究人员揭示了不同剂量的药物具有的分布差异。例如,这项研究首次观察到,在未达到饱和剂量时,离血管近的区域有更高的药物结合。

▲CATCH揭示了药物分子在小鼠大脑中的结合分布情况(图片来源:参考资料[1])

可以说,CATCH已经令我们窥见前所未见的细节,而它展现出的前景同样值得期待。CATCH带来的高分辨率成像,将为理解小分子药物功效与潜在的副作用机制带来新的机遇。

论文最后也指出,目前CATCH技术还有一定的局限性。现阶段其主要应用于“共价抑制剂”,即药物基团能与靶点形成共价键。但要应用于非共价抑制剂,这项技术还有待进一步开发。此外,CATCH目前还不能直接应用于全脑甚至是全身的成像。研究团队表示,他们正在研究如何扩大成像的体积,最终希望在完整小鼠内进行单细胞分辨率的药物成像。

本文由Li Ye团队主导,第一作者为博士生庞正源。本文得到了Benjamin Cravatt实验室,Lundbeck La Jolla Research Center的大力支持。

参考资料:

[1] Zhengyuan Pang et al. In situ identification of cellular drug targets in mammalian tissue. Cell (2022) DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.040

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