蛋白质复合制剂中转移自由能的加和性：隐式溶剂分子动力学模拟的新突破

【编辑推荐】本研究针对蛋白质药物制剂中多种渗透剂（osmolytes）的协同稳定机制难题，通过实验测定氯化钠、精氨酸盐酸盐和聚山梨酯20等辅料的转移自由能（transfer free energy），首次证实多组分体系的自由能贡献具有加和性。该发现为复杂蛋白质制剂的隐式溶剂分子动力学（implicit solvent MD）模拟提供了高效建模策略，实验与模拟数据在溶菌酶（lysozyme）、干扰素α-2a和粒细胞集落刺激因子（G-CSF）中均获验证，推动了生物制药配方设计的理论-实验闭环研究。

　　

蛋白质药物的稳定性是生物制药领域的核心挑战。在复杂的制剂环境中，渗透剂（osmolytes）通过改变蛋白质周围溶剂环境来维持其天然构象，但多种成分的协同作用机制长期缺乏定量描述工具。传统实验方法难以解析多组分体系的微观相互作用，而显式溶剂分子动力学模拟（explicit solvent MD）又面临计算成本过高的瓶颈。如何建立高效、精准的理论模型来指导制剂设计，成为亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，研究人员在《Molecular Pharmaceutics》发表的研究中，创新性地将转移自由能（transfer free energy，反映蛋白质从水相转移到渗透剂溶液时的化学势变化）概念与隐式溶剂分子动力学（implicit solvent MD）相结合。通过实验测定三种常用辅料——氯化钠（NaCl）、精氨酸盐酸盐（Arg-HCl）和聚山梨酯20（polysorbate 20）对不同蛋白质表面基团的转移自由能，首次发现多组分体系的自由能贡献具有线性加和特性。这一突破性结论使得复杂配方的模拟效率显著提升：仅需单组分数据即可预测混合体系行为。

关键技术包括：1）基于热力学循环实验测定单/多组分转移自由能；2）将实验数据参数化后嵌入隐式溶剂MD力场；3）对溶菌酶、干扰素α-2a和G-CSF进行模拟与实验交叉验证。研究特别纳入临床相关蛋白（如治疗性细胞因子G-CSF），样本来源涵盖重组表达蛋白和商业化药物制剂。

【转移自由能的加和性验证】
通过量热法和光谱学手段，测得三种渗透剂对蛋白质不同表面区域（疏水/亲水/带电基团）的转移自由能。当蛋白质暴露于NaCl+Arg-HCl混合溶液时，实测自由能变化与两成分单独贡献之和的偏差<5%，首次为自由能加和假说提供实验证据。

【隐式溶剂模型的构建】
将实验获得的转移自由能转化为隐式溶剂MD中的有效能量项，通过调整溶剂可及表面积（SASA）权重因子，使模拟力场准确反映渗透剂-蛋白质相互作用。该模型成功复现了Arg-HCl对溶菌酶C端α-螺旋的特异性稳定作用。

【多组分体系预测验证】
在含1.5% polysorbate 20+150 mM NaCl的复合制剂中，干扰素α-2a的模拟构象波动与圆二色谱实验结果吻合（RMSD<1.5 ?）。对G-CSF的预测更显示，加和性模型可提前6周识别出导致聚集的临界配方比例。

这项研究建立了连接实验与计算的桥梁，其核心价值体现在三方面：1）证实自由能加和性可大幅降低复杂体系模拟的计算维度；2）为生物制药行业提供可参数化的配方设计工具；3）开创性地将热力学实验数据转化为动力学模拟参数。作者特别指出，该方法对单克隆抗体（mAbs）等更大分子量蛋白的适用性仍需验证，但现有成果已为下一代生物制剂开发开辟了新路径。