靶向金黄色葡萄球菌α-毒素的微型结合蛋白计算机设计及其体内保护效应研究

针对金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)α-毒素(α-toxin)引发的致命感染难题，研究人员通过计算机辅助设计(de novo)开发出特异性靶向该毒素的微型结合蛋白(minibinders)。研究证实Binder2能以40.2 μM亲和力阻断毒素与宿主细胞膜结合，有效抑制溶血活性和细胞毒性，并在小鼠模型中显著延长生存时间。该研究为开发新型抗S. aureus感染疗法提供了创新策略。

　　

金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)是全球范围内最致命的细菌病原体之一，每年导致超百万人死亡。这种"超级细菌"能引发从皮肤感染到败血症等多种疾病，而其耐药性问题日益严峻。在众多致病因子中，α-毒素(α-toxin)作为首个被鉴定的孔形成细胞毒素，通过结合ADAM10受体形成七聚体跨膜孔，导致细胞溶解和组织损伤，在肺炎、皮肤坏死等疾病中起关键作用。

传统抗生素治疗面临耐药性挑战，针对α-毒素的抗体疗法如MEDI4893虽显示出中和潜力，但存在生产成本高、组织渗透性差等局限。近年来，计算机蛋白质设计技术为开发小型化、高稳定性的微型结合蛋白(minibinders)开辟了新途径。为此，中国研究人员开展了一项创新研究，相关成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》。

研究采用基于旋转异构体相互作用场(RIF)和Rosetta通用结合设计的计算流程，以α-毒素与MEDI4893复合物晶体结构(PDB 4U6V)为模板，针对毒素表面关键疏水残基(Val¹⁷⁵
-Val¹⁹⁰
)进行设计优化。通过大肠杆菌表达系统获得三种候选蛋白，并综合运用圆二色谱、表面等离子共振(SPR)等技术进行表征。

De novo minibinder蛋白设计与优化
通过计算筛选获得三个α-螺旋结构为主的minibinder设计方案，其中Binder2表现出最高热稳定性(T_m

80°C)和40.2±3.1 μM的结合亲和力(KD)。分子动力学模拟显示其能稳定结合α-毒素的受体识别界面。

体外中和效应验证
所有minibinder均能剂量依赖性抑制α-毒素的溶血活性(IC₅₀
2.1-5.3 μM)，其中Binder2效果最佳。在A549和THP-1细胞模型中，Binder2显著降低IL-6和TNF-α等炎症因子表达水平(p<0.01)。

作用机制解析
SPR和共聚焦显微镜证实minibinder通过竞争性结合阻断α-毒素与细胞膜ADAM10的相互作用，并抑制毒素七聚体形成。冷冻电镜显示Binder2诱导α-毒素构象变化，使其丧失膜穿孔能力。

体内保护效果评估
在α-毒素攻击的小鼠模型中，Binder2处理组生存率提高80%，生存时间延长3倍以上。组织病理学显示其显著减轻肺水肿和炎症浸润，优于阳性对照MEDI4893(p<0.05)。

该研究首次证明计算机设计的minibinder能有效中和α-毒素的致病活性。Binder2通过独特的三维结构精确靶向毒素功能域，其小分子量(15 kDa)赋予其优异的组织穿透性，且生产成本仅为抗体的1/10。这种"以小制大"的策略为应对抗生素耐药危机提供了新思路，尤其适用于多重耐药菌感染的治疗。未来通过进一步优化和临床转化，这类工程化蛋白有望成为抗S. aureus感染的新型武器。