根据世界卫生组织的估计，每年有超过10万人死于蛇咬伤，另有数十万人因此永久残疾。一项由尖端技术推动的有希望的新科学研究，或许能帮助缓解这种威胁。
根据1月15日发表在《自然》杂志上的一项研究，研究人员成功设计出两种能够中和一些最致命毒蛇毒素的蛋白质。这些“从头开始”（de novo）设计的蛋白质——在自然界中不存在的分子——在实验室实验中与剧毒蛇化合物混合并施用后，能100%保护小鼠免于死亡。
“我认为我们可以彻底改变（蛇咬伤）的治疗方法，”该研究的首席作者、生物化学家Susana Vázquez Torres说。她在华盛顿大学David Baker的实验室完成了这项研究，作为她博士论文的一部分。David Baker因其创造新蛋白质的工作获得了2024年诺贝尔化学奖。本周的这篇论文是该研究方向的延续。“这项研究当然不能解决所有问题，但它表明我们可以以比传统方法快得多的速度开发出分子——而且它们有效，”Vázquez Torres告诉《流行科学》杂志。她补充说，这种策略可能比现状带来更便宜、更安全、更有效的治疗方法。
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“这是了不起的工作，”斯克里普斯研究所免疫学和微生物学助理教授Joseph Jardine说。Jardine没有参与这项新研究，但他此前曾发表过关于开发针对同类化合物的合成抗蛇毒血清的研究。他说，这项新研究既证明了近年来蛋白质设计的进步（这得益于快速发展的AI），也是医学上一个令人兴奋的实际进展。
尽管蛇咬伤造成了严重后果，但一个多世纪以来，蛇毒血清的治疗方法一直没有改变：通过向马或其他动物注射亚致死剂量的毒液，收集其产生的抗体。这些抗蛇毒血清能救命，但它们也有一些严重的缺点。
首先，它们昂贵且难以生产，因为生产过程需要饲养大量的动物。此外，它们的质量参差不齐，因为依赖不完美的免疫系统会产生不稳定的结果，而且抗蛇毒血清对某些毒素的效果优于其他毒素——只能部分中和复杂蛇毒混合物中最小的成分，而对某些蛇种的咬伤效果不佳。它们可能引起接受者的过敏反应和其他不良副作用。而且，由于它们是生物制品，传统的抗蛇毒血清对温度非常敏感，需要冷藏储存和运输——这增加了成本和难以获得性。在蛇咬伤尤其常见的全球南方国家的农村地区，这种治疗方法尤其难以获得。
相比之下，新设计的蛋白质在更宽的温度范围内都稳定，有可能利用酵母等微生物进行批量生产，可能引起较少的副作用，并且更容易微调和保持一致。“这些小型的从头开始设计的蛋白质具有许多非常有趣的优势，包括热稳定性、制造成本以及它们能够以抗体无法企及的方式进行靶向，”Jardine解释道。他推测，未来有一天，这类产品可能会装载在“类似EpiPen的装置”中，方便地提供给最需要它的实地地区。
蛇毒由许多不同的毒素混合而成。Vázquez Torres和她的同事们专注于三指毒素（3FTx）的研究，这是传统抗蛇毒血清效果不佳的致命化合物。3FTx在眼镜蛇科蛇类（包括眼镜蛇、曼巴蛇和珊瑚蛇）的毒液中尤其普遍。这些毒素（本身也是蛋白质）会对哺乳动物的身体造成严重破坏。有些是麻痹性神经毒素，有些则会破坏细胞和组织。
科学家们试图鉴定能够对抗三种代表性靶向毒素的抗毒蛋白：一种短链α神经毒素、一种长链α神经毒素和一种细胞毒素。这三种代表性毒素都经过充分研究，因此科学家们从一开始就知道它们的精细结构。在此基础上，他们能够识别出需要阻断的关键结合位点，以使每种毒素失活。他们将这些信息输入了他们的第一个人工智能工具RoseTTAFold diffusion，该模型类似于Dall-E和Midjourney等图像生成器，但经过训练和专门化，可以根据要求的标准输出蛋白质结构的模拟图。在这种情况下，标准是毒素结构和研究人员希望堵塞的选定结合“热点”。人工智能提供了数十种中和蛋白的建议（以蛋白质构型的详细图像形式），这些蛋白可能会填补这些结合位点——就像为神秘的锁配制钥匙一样。
为了更深入地了解这些理论上的蛋白质并解读其构成，Vázquez Torres、Baker和他们的合著者部署了第二个生成式人工智能模型ProteinMPNN，该模型经过训练，可以生成可行的氨基酸组合，这些组合能够折叠起来复制扩散模型的输出。蛋白质折叠非常复杂，并且常常难以仅从氨基酸序列中预测，反之亦然，很难知道哪种氨基酸序列会导致哪种折叠形状。ProteinMPNN加速了这一计算过程。然后，他们使用了第三个预测性人工智能工具AlphaFold2，独立预测每个氨基酸链的实际折叠方式，从而对前两个模型的计算结果进行双重检查。在每个步骤之间，研究人员都运用了自己专业的“人眼”来筛选不合格的候选者，并将候选池缩小到最佳选项。
研究作者将最有前景的氨基酸链反向翻译成DNA序列，然后利用改造过的细菌来生产这些蛋白质。他们在包含人肌肉和皮肤细胞的培养皿实验中测试了他们的顶级候选蛋白，并发现了对所有三种目标毒素有效的蛋白质。这进一步缩小了候选范围，每类剩下一名领跑者。科学家们在一系列小鼠实验中测试了这两种候选蛋白。
在初步测试中，他们的抗细胞毒素候选蛋白未能减少与蛇毒相关的皮肤损伤，因此研究人员停止了对其的测试。但其他两种候选蛋白质被证明效果更好。当直接与目标毒素混合并注射到小鼠体内时，这两种抗神经毒素蛋白都能防止所有小鼠死亡（没有添加保护性蛋白质的情况下，100%的小鼠死亡）。
为了模拟治疗咬伤的过程，科学家们接着测试了当先注射毒液，然后晚些注射候选蛋白质时小鼠的反应。其中一种蛋白质在注射毒液后长达30分钟注射，仍能挽救100%的小鼠。另一种蛋白质在注射15分钟后注射可防止80%的死亡，在注射半小时后注射可防止60%的死亡。
“看到这些蛋白质在动物身上开箱即用，真是令人震惊。我们不需要做任何优化，”Vázquez Torres说。“第一次尝试就找到了有效的方法，这太不可思议了。”此外，得益于人工智能的计算协助，这项研究从构思到提交出版数据仅用了一年左右的时间。“我认为这是任何科学论文创纪录的时间，”她说——这表明机器学习可以极大地加速研究进程。
这些发现是抗蛇毒血清研究近期一系列新进展中的最新成果，例如Jardine的合成抗体和重新利用的药物。世界卫生组织于2017年将蛇毒感染列为被忽视的热带病，优先考虑蛇咬伤的投资和公共卫生关注。自那以后，研究层出不穷。“这是为我们解决问题增加了一个工具。[这些蛋白质]将具有抗体所不具备的独特应用，反之亦然，”Jardine说。
然而，从头开始设计的蛋白质要获批用于人类使用，还有很长的路要走。小鼠试验没有显示出任何明显的负面副作用，尽管目前尚不清楚这些蛋白质在体内的作用以及它们是否真的安全。Vázquez Torres和Jardine都指出，这些是全新的分子，需要对其脱靶反应和不良影响进行广泛的筛选和测试。“我们需要证明这些分子的安全性。我们需要真正了解它们的机制，”Vázquez Torres说。任何设计蛋白质抗蛇毒血清上市还需要数年时间。
如果真的上市，Vázquez Torres及其同事发现的蛋白质将不足以解决所有问题。它们只能针对某些毒液中的两种孤立毒素。Vázquez Torres表示，很可能需要混合大约十种精心设计的蛋白质才能中和完整的蛇毒。在寻找广谱或通用抗蛇毒血清的过程中，科学家们仍在继续探索。
尽管如此，利用微生物按需生产新型蛋白质的前景令科学家们兴奋不已。而且这种兴奋不仅仅局限于抗蛇毒血清。从头开始设计的蛋白质有一天可能为各种疾病提供替代疗法。这些氨基酸构建物介于生物药物（由生物体制造或衍生）和小分子药物（如阿司匹林，通过化学合成）之间。“你可以想象，有大量的传统方法无法解决的问题，这个问题可以用这种方法来解决，”Jardin说。“这是一种非常新的做事方式，我们才刚刚开始。”
