蛋白親和試劑（protein affinity reagents）廣泛用於
基礎研究、
診斷和分析、分離純化以及臨床應用，其中最常見也最具代表性的要屬抗體了。對於靶標蛋白的高親和性以及廣泛的應用使得抗體幾乎成了蛋白親和試劑的代名詞。此外，還有一些正在開發的新型親和試劑，比如類似抗體的蛋白分子、核酸適體（aptamer，可以結合蛋白的 RNA 或 DNA）、天然或合成的多肽等。不過，這些基於生物分子的試劑都面臨著一些難以突破的限制，比如研發周期長、成本高，容易失活而難以生產、運輸以及儲存。因而，科學家正努力尋找基於非生物分子的蛋白親和試劑。
抗體結構示意圖。圖片來源：NIH
要想具有和抗體相當的靶蛋白識別和結合能力，一個非生物親和試劑應該具備和抗體相當的與靶蛋白表面多點接觸和相互作用的性質。合成聚合物（synthetic polymer）因而備受關注，它的柔性使其能夠覆蓋蛋白質表面，且成本低可大規模生產。此外，它的尺寸、物理性質和親和力還有可能通過外部刺激（溫度、pH 等）進行調節，這給它提供了額外維度的控制。然而，合成聚合物通過動力學驅動的自由基聚合形成，因而單體的序列難以控制。實際上，合成聚合物並非純的物質，其親和力也只是所有聚合物的平均值。因此，合成一種對蛋白具有足夠親和力，同時保證功能一致的聚合物仍然是一個難題。
日前，來自日本靜岡縣立大學的 Naoto Oku 教授、九州大學的 Yoshiko Miura 教授、美國加州大學歐文分校的 Kenneth Shea 教授等人合作，在 Nature Chemistry 報導了對關鍵血管內皮生長因子（VEGF165）具有極高親和力（達 nM 量級）的聚合物
納米粒子，它能夠抑制該信號蛋白與其受體 VEGFR- 2 的結合以及受體的磷酸化，並阻止下遊 VEGF165 依賴性內皮細胞的遷移和對細胞外基質的侵入。體內實驗證明這些聚合物
納米粒子可以抑制 VEGF 介導的新血管形成。更重要的是，作者沒有發現這種無毒的聚合物
納米粒子具有任何的脫靶效應，這意味著它識別靶蛋白的特異性也很好。
Naoto Oku 教授（左）、Yoshiko Miura 教授（中）、Kenneth Shea 教授（右）。圖片來源：University of Shizuoka / Kyushu University / University of California Irvine
研究人員所採用的策略是先識別 VEGF165 的幾個蛋白結構域，比如分別結合受體 VEGFR- 2 和肝素的區域，然後選擇可能與這些結構域結合的功能單體，隨後合成一系列聚合物，並從中篩選出與 VEGF165 結合能力最強的聚合物納米粒子。
合成聚合物納米粒子的單體。圖片來源：Nature Chem.
聚合物納米粒子及其 TEM 圖像。圖片來源：Nature Chem.
進一步研究表明，聚合物納米粒子 NP11 具有最高的 VEGF165 親和力（約 380 nM），它含有的三硫酸化 N - 乙醯葡糖胺（3，4，6S-GlcNAc，含量 1.7%）可以與 VEGF165 的肝素結合域相互作用，而 N - 叔丁基丙烯醯胺（TBAm，含量 40%）可以與 VEGF165 的受體結合域的疏水表面相互作用。因而，聚合物納米粒子與 VEGF165 之間強烈的結合力來源於多種相互作用的共同影響。
合成聚合物納米粒子與 VEGF165 的相互作用示意圖。圖片來源：Nature Chem.
接著，研究人員利用聚合物納米粒子 NP11，成功地抑制 VEGF165 與其受體的結合以及受體的磷酸化，同時能阻止下遊 VEGF165 依賴性內皮細胞的遷移和對細胞外基質的侵入。此外，在小鼠體內的 Matrigel 膠塞血管生成實驗證明 NP11 能抑制 VEGF165 介導的新血管形成。在 0 -100 μg/ml 濃度範圍內，作者也沒有發現 NP11 具有細胞毒性。
聚合物納米粒子 NP11 抑制新血管形成。圖片來源：Nature Chem.
另外，由於 NP11 能抑制 VEGF165 與肝素的結合，如果 NP11 特異性不夠高，就很有可能影響其他與肝素有關的生理過程，比如抗凝血。作者因此研究了 NP11 對抗凝血過程中需要結合肝素的關鍵酶——凝血因子 Xa（FXa）的活性影響，發現 100 μg/ml 濃度的 NP11 也不會抑制 FXa 的活性，沒有脫靶效應。
Shea 教授表示，通過調整單體的含量和結構，這些聚合物納米粒子的性能還有進一步優化的空間。考慮到 VEGF 在抗癌治療中的火熱程度，這項研究的應用前景相當廣闊。說起來，這也不是 Kenneth Shea 教授等人首次嘗試用聚合物納米粒子代替抗體了，之前他們曾用聚合物納米粒子代替抗蛇毒血清來對付各種蛇毒。(
生物谷Bioon.com)
原文出處：
Hiroyuki Koide et al.A polymer nanoparticle with engineered affinity for a vascular endothelial growth factor (VEGF165)，Nature Chemistry (2017).DOI：10.1038/nchem.2749