冷凍電鏡技術(shù)正在基于結(jié)構(gòu)的新藥研發(fā)中發(fā)揮重要作用

冷凍電鏡是一項是用于電子顯微鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸技術(shù)（Cryo－SEM），可以通過電子束形成的高分辨率圖像，直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品。通過冷凍電鏡圖像，研究人員可以了解生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在不同生理過程下的變化，從而理解生命現(xiàn)象的基本規(guī)律。基于此，研究人員可以有針對性地調(diào)制某些與特定疾病、生理過程直接相關(guān)的分子，或者通過小分子藥物、蛋白質(zhì)藥物，造成分子功能變化，從而實現(xiàn)治療或者防治疾病的目的。

水木未來聯(lián)合創(chuàng)始人王宏偉教授告訴動脈網(wǎng)，冷凍電鏡技術(shù)最早興起于上世紀(jì)70～80年代。

1980年，Jacques Dubochet課題組發(fā)明了一種將生物分子的水溶液速凍至液氮溫度的方法，解決了冷凍電鏡的制樣問題。隨后，Joachim Frank課題組于1985年前后初步建立對處于分散狀態(tài)的生物大分子復(fù)合體電子顯微鏡照片使用基于統(tǒng)計學(xué)的數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析的方法論，從而奠定冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)的基本原理。此外，Richard Henderson課題組于1990年解析了菌紫紅質(zhì)膜蛋白的原子分辨率結(jié)構(gòu)，成為第一個冷凍電鏡解析的原子分辨率結(jié)構(gòu)。

發(fā)展至今，冷凍電鏡已經(jīng)是一項相對成熟的結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析方法。2017年，Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson三位科學(xué)家由于在冷凍電鏡解析溶液中生物大分子高分辨率結(jié)構(gòu)方法學(xué)開發(fā)方面做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，獲得了當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎。

據(jù)一篇由歐美科學(xué)家發(fā)布在Nature Reviews Drug Discovery雜志的文章介紹，X－ray晶體衍射、核磁共振（NMR）和冷凍電鏡共同構(gòu)成了當(dāng)今結(jié)構(gòu)生物學(xué)的三大主要分析手段。

將冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析結(jié)合計算化學(xué)應(yīng)用于藥物研發(fā)，有效彌補了傳統(tǒng)藥物研發(fā)方式下，靶點結(jié)構(gòu)未知、隨機(jī)性強、研發(fā)周期長、成本高的缺點，將基于結(jié)構(gòu)的藥物發(fā)現(xiàn)（SBDD）推上了又一高度。近年來，陸續(xù)有藥企布局基于冷凍電鏡的藥物研發(fā)新方式。

例如，基因泰克在組建內(nèi)部的冷凍電鏡團(tuán)隊；輝瑞斥資500萬英鎊使用新款的冷凍電鏡；諾華通過與Friedrich Miescher研究所的合作也構(gòu)建了自己的冷凍電鏡中心。而一些規(guī)模較小的藥企，或生物科技公司則組建了共同使用冷凍電鏡工具的聯(lián)盟，如英國劍橋醫(yī)藥冷凍電鏡聯(lián)盟由5家藥企共同出資超過300萬英鎊，于2016年正式啟動。

盡管到目前為止，國內(nèi)外研究人員都還沒有基于冷凍電鏡技術(shù)找出革命性的新藥結(jié)構(gòu)，這種新方法下的藥物研發(fā)已經(jīng)取得了可觀的進(jìn)展。例如，諾華生物醫(yī)藥研究所（NIBR）的蛋白質(zhì)科學(xué)負(fù)責(zé)人Christian Wiesmann曾表示，其團(tuán)隊利用冷凍電鏡技術(shù)獲得了一款蛋白與一種小分子結(jié)合時的結(jié)構(gòu)，這能指導(dǎo)藥物化學(xué)的開發(fā)。

全新結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法下的新藥開發(fā)一站式解決方案

王宏偉教授表示，目前，冷凍電鏡應(yīng)用于新藥開發(fā)尚存在兩方面技術(shù)瓶頸。

第一，樣品制備。制備樣品首先需要根據(jù)明確的靶點信息確定具有進(jìn)一步研究潛力的蛋白質(zhì)分子，進(jìn)而通過專用的大型設(shè)備將蛋白質(zhì)分子溶液冷凍到液氮溫度之下，并確保其大分子空間結(jié)構(gòu)不被破壞。

第二，虛擬藥物篩選。王宏偉教授指出，現(xiàn)階段，利用計算化學(xué)進(jìn)行虛擬藥物分子篩選的整體技術(shù)還不夠成熟，難以獨立支撐早期的新藥研發(fā)，“不過，隨著經(jīng)驗、案例積累和算法迭代，引入了人工智能技術(shù)的計算化學(xué)方法將在新藥研發(fā)中發(fā)揮更重要的作用�！�

經(jīng)過近三年發(fā)展，水木未來具備了國際領(lǐng)先的基于冷凍電鏡的結(jié)構(gòu)解析能力，在冷凍樣品制備、冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和結(jié)構(gòu)計算方面具有很大優(yōu)勢。目前，水木未來擁有完善的 300kV 頂配冷凍電鏡及其相關(guān)硬件配套，以清華大學(xué)生命科學(xué)院院長王宏偉教授領(lǐng)銜的結(jié)構(gòu)生物學(xué)專家團(tuán)隊作為強大的技術(shù)支撐。

作為國內(nèi)乃至全球的冷凍電鏡研究高地，清華大學(xué)在2015年前后建成了世界上最大的冷凍電鏡設(shè)施平臺，搶占了這項技術(shù)快速發(fā)展先機(jī)。實際上，清華大學(xué)從事冷凍電鏡技術(shù)研究和開發(fā)超過10年，為中國結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展提供了強有力的支持，應(yīng)用清華的冷凍電鏡平臺做出的重要科研成果居于世界前列，清華結(jié)構(gòu)生物學(xué)的國際影響力達(dá)到歷史新高。

王宏偉教授告訴動脈網(wǎng)，水木未來正在建立基于冷凍電鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析的強大的商業(yè)服務(wù)能力，已經(jīng)有實力提供基于冷凍電鏡和計算化學(xué)進(jìn)行藥物研發(fā)的完善的解決方案和方案的實施能力，將為全球藥廠在藥物臨床前研發(fā)領(lǐng)域提供完善的服務(wù)，為Me－too／Me－better藥物發(fā)現(xiàn)、全新結(jié)構(gòu)（First－in－class）類藥物的設(shè)計、病毒疫苗和藥物研發(fā)等提供研發(fā)加速服務(wù)，“未來，我們爭取可以從事藥物研發(fā)，找到具有重大醫(yī)學(xué)意義的藥物靶點�！�

作為水木清華的聯(lián)合創(chuàng)始人和科學(xué)委員會主席，王宏偉教授從博士期間開始，從事冷凍電子顯微學(xué)研究多年，致力于冷凍電鏡相關(guān)方法學(xué)開發(fā)，曾獲得國家杰出青年基金和談家楨生命科學(xué)創(chuàng)新獎。公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO郭春龍先生是清華大學(xué)工程物理學(xué)士，曾就讀于伯克利加州大學(xué)電子工程與計算機(jī)科學(xué)專業(yè)和哈斯商學(xué)院。郭春龍先生是連續(xù)創(chuàng)業(yè)者，曾參與創(chuàng)立百合網(wǎng)／嘿友網(wǎng)、2048資本。

此外，水木未來建立了覆蓋藥物計算化學(xué)、 蛋白晶體學(xué)、 免疫學(xué)等相關(guān)藥物研發(fā)領(lǐng)域的科學(xué)顧問團(tuán)隊。例如，水木未來通過與北京生命科學(xué)園的計算生物學(xué)專家穩(wěn)定合作，構(gòu)建起強大的藥物篩選能力。

動脈網(wǎng)將持續(xù)關(guān)注水木未來的后續(xù)進(jìn)展。