新型螺旋凹面支架：癌症免疫治疗高亲和力结合剂的创新设计

为解决传统方法难以针对免疫受体凸面靶点设计高亲和力结合剂的问题，华盛顿大学的研究人员开展针对癌症免疫治疗相关受体设计高亲和力结合剂的研究，成功设计出针对 TGFβRII、CTLA-4 和 PD-L1 的高亲和力结合剂，对癌症免疫治疗有重要意义。

　　癌症，这个人类健康的 “头号大敌”，多年来一直让科学家们绞尽脑汁。随着医学的发展，癌症免疫治疗横空出世，如同黑暗中的一道曙光，给无数患者带来了希望。它通过调节人体自身的免疫系统，激活免疫细胞来对抗癌细胞，为癌症治疗开辟了新的方向。其中，免疫受体成为了关键的治疗靶点，像 CTLA-4、PD-1、LAG3、PD-L1 这些抑制性受体，以及如 IL2R、IL10-R、TGFβRII 等细胞因子受体，它们在免疫反应的调节和免疫细胞的增殖分化中扮演着重要角色，自然也成为了科研人员重点关注的对象。

然而，在针对这些受体开发治疗药物时，一个棘手的问题出现了。许多免疫受体包含具有凸面的免疫球蛋白（Ig）折叠结构域，这使得传统基于 Rosetta 的蛋白质结合剂设计方法，尤其是使用小球状支架的方法，难以实现对这些凸面靶点的高亲和力结合。就好比一把钥匙要开一把特殊形状的锁，传统的钥匙形状总是对不上锁孔，无法发挥作用。这就严重限制了癌症免疫治疗药物的研发进展，科学家们急需找到新的解决方案。

在这样的背景下，华盛顿大学（University of Washington）的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们致力于设计高亲和力的结合剂，以精准靶向免疫调节受体，为癌症免疫治疗带来新的突破。经过不懈努力，研究人员取得了令人瞩目的成果。他们成功设计出了针对 TGFβRII、CTLA-4 和 PD-L1 的高亲和力结合剂，这些结合剂展现出了强大的生物活性，能够有效调节相关信号通路，这对于癌症免疫治疗的发展意义非凡，为后续的临床应用奠定了坚实的基础。该研究成果发表在Nature Communications期刊上。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是计算设计技术，通过设计具有不同曲率的螺旋凹面支架（5HCS），为后续的结合剂设计提供基础；其次是酵母表面展示技术，利用该技术对设计的结合剂文库进行筛选，能够高效地筛选出高亲和力的结合剂；还有结构测定技术，借助 X 射线晶体学等方法解析结合剂与受体的共晶体结构，直观地了解结合剂与受体的相互作用方式。

下面来详细看看研究结果：

• 5HCS 支架的计算设计：研究人员基于天然高亲和力蛋白质 - 蛋白质界面的形状互补原理，认为凹面形状的支架可能对凸面蛋白质靶点具有更好的结合效果。他们期望构建的支架具备可变曲率、高稳定性和小尺寸这三个特性。为此，研究人员聚焦于五螺旋束支架，通过组装理想的螺旋和环片段库，构建出一系列 5HCS 支架。经过筛选，最终获得了 7476 个具有不同曲率的 5HCS 支架，这些支架为后续设计高亲和力结合剂提供了丰富的素材。
• TGFβRII 结合剂的设计与结构验证：研究人员使用 5HCS 支架和之前研究中使用的球状小蛋白支架文库，对转化生长因子 -β3（TGF-β3）在 TGF-β 受体 2 型（TGFβRII）上的结合位点进行对接。经过多轮筛选和优化，得到了高亲和力的 TGFβRII 结合剂 5HCS_TGFBR2_1，其亲和力小于 1nM。通过圆二色谱分析表明该结合剂具有稳定的螺旋结构，晶体结构显示其与设计模型高度吻合，并且在细胞培养信号实验中，5HCS_TGFBR2_1 能够剂量依赖性地抑制 TGFβ SMAD2/3 信号通路，IC₅₀为 30.6nM。
• CTLA-4 结合剂的设计与结构验证：研究人员针对 CTLA-4 的 β 转角（132 - 140）周围区域进行结合剂设计。通过酵母文库筛选和优化，获得了高亲和力的 CTLA-4 结合剂 5HCS_CTLA4_1，其亲和力小于 100pM。晶体结构显示 5HCS_CTLA4_1 与 CTLA-4 的结合模式与设计模型一致，并且在细胞培养的免疫检查点功能实验中，5HCS_CTLA4_1 能够剂量依赖性地激活 CTLA-4 效应细胞，EC₅₀为 53.3nM。通过构建多聚体形式的 5HCS_CTLA4_1，研究人员发现六聚体形式的 5HCS_CTLA4_1_c6 的 EC₅₀为 16.1nM，与抗 CTLA-4 抗体伊匹木单抗（Ipilimumab）相当。
• PD-L1 结合剂的设计与结构验证：研究人员针对 PD-L1 上 PD-1 的结合位点设计结合剂，以阻断 PD-L1 与 PD-1 的相互作用。经过筛选和优化，得到了高亲和力的 PD-L1 结合剂 5HCS_PDL1_1，其亲和力为 646pM。晶体结构显示 5HCS_PDL1_1 与设计模型高度相似，并且在细胞表面染色实验中，5HCS_PDL1_1 具有高靶标特异性。在体外免疫检查点功能实验中，5HCS_PDL1_1 能够剂量依赖性地激活 TCR 信号，EC₅₀为 2.1nM。

研究结论和讨论部分指出，这些针对 TGFβRII、PD-L1 和 CTLA-4 的高亲和力结合剂，展现出了强大的信号通路调节能力，充分证明了该研究方法在靶向关键细胞表面受体方面的巨大潜力。由于小型从头设计的蛋白质在人体中免疫原性较低，并且可以通过与 Fc 或白蛋白结合域融合来延长循环时间，因此这些结合剂有望在癌症免疫治疗中发挥重要作用。此外，5HCS 支架还可以作为后续优化的起点，结合部分 RFdiffusion 和其他基于机器学习的方法，进一步优化结合剂的性能。同时，5HCS 支架的高稳定性和模块化特点，为开发下一代仅在病变组织中起作用的免疫疗法提供了可能，有助于提高治疗效果并降低全身毒性。这项研究为癌症免疫治疗开辟了新的道路，为未来的临床应用带来了新的希望。