科学家发现了一个惊人的技巧，可以扩大肉毒杆菌毒素的可能性

诸平

Researchers at PSI have developed antibody-like proteins that enhance the effect of botulinum toxin A₁ (Botox), potentially enabling faster relief in medical therapies. The study reveals that these proteins, called DARPins, might accelerate the toxin’s impact, offering new possibilities in pain and muscle spasm treatment.

据瑞士保罗·谢勒研究所(Paul Scherrer Institute简称PSI)2024年2月2日提供的消息，PSI的研究人员已经开发出抗体样蛋白质（antibody-like proteins），可以增强肉毒杆菌毒素A1 (botulinum toxin A1)，俗称肉毒杆菌素(Botox)的效果，有可能使医学治疗更快地缓解（Scientists Discover Surprising Trick That Could Expand the Possibilities of Botox）。该研究表明，这些被称为DARPins的蛋白质可能会加速毒素的影响，为疼痛和肌肉痉挛的治疗提供新的可能性。

PSI的研究人员在增强肉毒杆菌毒素A1，俗称肉毒杆菌素的医学应用方面取得了突破。通过制造类似抗体的蛋白质，他们加速了酶对神经信号传递的影响。这一进步意味着肉毒杆菌素可能比以前更快地缓解疼痛。他们的研究结果2023年12月18日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Oneda Leka, Yufan Wu, Giulia Zanetti, Sven Furler, Thomas Reinberg, Joana Marinho, Jonas V. Schaefer, Andreas Plückthun, Xiaodan Li, Marco Pirazzini, Richard A. Kammerer. A DARPin promotes faster onset of botulinum neurotoxin A1 action. Nature Communications, 2023, 14, Article number: 8317. DOI: 10.1038/s41467-023-44102-4. Published: 18 December 2023.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44102-4

参与此项研究的除了来自瑞士保罗·谢勒研究所（Paul Scherrer Institut, Villigen PSI, Switzerland）的研究人员之外，还有来自瑞士苏黎世大学（University of Zurich, Zurich, Switzerland）和意大利帕多瓦大学（University of Padova, Padova, Italy）的研究人员。

肉毒杆菌神经毒素A1（Botulinum neurotoxin A1），更广为人知的商标是肉毒杆菌（Botox），实际上是一种由细菌产生的神经毒素。它作为一种化妆品获得了广泛的公众意识。许多人把它注射到皱纹中，让他们看起来更年轻。这种物质阻断了从神经到肌肉的信号传递，从而放松肌肉，使面部特征看起来平滑。

鲜为人知的是:肉毒杆菌素（Botox）也经常用于治疗药物中，用于治疗可追溯到肌肉痉挛或神经信号错误的疾病，包括疼痛、痉挛、膀胱无力、磨牙和错位，例如眼睛。肉毒杆菌素甚至被用于治疗胃癌，以阻断迷走神经，从而减缓肿瘤的生长。

在任何治疗中，以非常有针对性的方式和谨慎的剂量使用这种高效药物是至关重要的，因为肉毒杆菌毒素是所有天然神经毒素中最有效的，它可能导致临床上称为肉毒中毒（botulism）的危险瘫痪。只要静脉注射100纳克（100 ng）左右就足以杀死一个人，因为这种毒素会使呼吸肌和其他肌肉麻痹。

不同种类的肉毒杆菌(Different types of botox)

肉毒杆菌神经毒素被分为7个血清型，用字母A到G表示。化妆品中使用的肉毒杆菌毒素来自第一组。确切地说，它被指定为亚型A1。众所周知，另外三种血清型即B、E和F也能导致人体肉毒中毒，其中E和F的作用速度明显快于A和B，但时间短于A和B。效果在几小时后就会起作用，持续几周，这为疼痛治疗和矫形外科等领域开辟了重要的选择。C型和D型对鸟类等一些动物有效;到目前为止，还没有G型肉毒杆菌中毒的病例。

血清型主要由不同的肉毒杆菌菌株产生。这些微生物是厌氧繁殖的，也就是说，在没有氧气的情况下，它们主要存在于土壤、海洋和河流沉积物中。如果它们进入食品并储存在密封容器中，就像腌制食品一样，就有被其毒素污染的风险。食用后会导致肉毒中毒。然而，这种疾病很少发生;在过去的十年里，瑞士每年只有一两个病例。

令人惊讶的结果（Surprising results）

PSI生物分子研究实验室（PSI‘s Laboratory for Biomolecular Research）的理查德·卡默勒(Richard Kammerer)领导的研究小组在一项研究项目中，想要调查是否有可能影响毒素的作用。理查德·卡默勒说:“为此，我们与瑞士苏黎世大学的生物化学家安德烈亚斯·普勒克图恩（Andreas Plückthun）一起制造了25种所谓的DARpins。”DARpins是人工制造的小蛋白质，其作用与抗体相似。它们用于治疗和诊断以及基础医学研究。

他们的想法是通过切割特定的蛋白质，找到选择性地与肉毒杆菌A1血清型的所谓催化域结合的DARPins，这部分酶负责对神经产生影响。预计DARPins会抑制这一功能。

“在体外，也就是说，在试管中的单个样本上，我们已经确定了一种合适的候选物，可以限制肉毒杆菌毒素的功能，”理查德·卡默勒报告说。通过PSI的瑞士光源SLS(PSI‘s Swiss Light Source SLS)，研究人员精确地观察了DARPin和催化结构域的复合物，直到分子水平，并找出了DARPin是如何防止裂解的。但是，当研究人员与意大利帕多瓦大学生物医学研究所（Institute for Biomedicine at the University of Padua in Italy）的一个研究小组合作，在细胞培养中测试这种DARPin时，一种完全不同的相反效果突然显现出来:肉毒杆菌毒素的毒性作用，即对神经信号传递重要的蛋白质的切割，起作用比平时更快。

“起初，我们认为我们做错了什么，PSI生物分子研究实验室的博士后研究员、上述研究的第一作者奥内达·莱克（Oneda Leka）说。但进一步的实验证实了这个矛盾的发现:肉毒杆菌酶的毒性不但没有减弱，反而加速了。

现在，研究人员用真正的肌肉——老鼠的横膈膜（diaphragms）——重复了这个实验。这些在营养液中可以保存很长时间，是测试神经毒素影响的理想模型。这里的结果也表明，用了DARPin后，毒素的麻痹效果起效的速度是原来的两倍多。

肉毒杆菌疗法的新选择（New options for Botox therapy）

现在最大的问题是:为什么会这样?可能的解释在生物化学上是非常复杂的。简单地说，就是DARPins实际上以一种方式破坏毒素的稳定，使它们更快地被运送到神经细胞内部。因此，毒素会更快地起作用。

“由于这个原因，我们认为DARPin可以拓宽肉毒杆菌神经毒素的可能用途范围，”奥内达·莱克说。尽管研究人员没有在本研究的框架内进行任何比较测试，但显示出含有DARPin的肉毒杆菌神经毒素A1比没有抗体样蛋白质的A1起作用要快得多。

同时，效果的持续时间比E和F的持续时间要长得多。因此，添加这种DARPin提供了一种介于血清型A和血清型E和F之间的中间变体。这一结果出乎意料，因为它为治疗多种疾病开辟了新的可能性。理查德·卡默勒说:“在止痛药中，一种添加剂可以加速长效、极有效药物的作用，这可能会引起人们的兴趣。”

本研究得到瑞士国家科学基金的资助(grants 31003A_163449 and 31003A_170028 of the Swiss National Science Foundation)。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

In this study, we characterize Designed Ankyrin Repeat Proteins (DARPins) as investigative tools to probe botulinum neurotoxin A1 (BoNT/A1) structure and function. We identify DARPin-F5 that completely blocks SNAP25 substrate cleavage by BoNT/A1 in vitro. X-ray crystallography reveals that DARPin-F5 inhibits BoNT/A1 activity by interacting with a substrate-binding region between the α- and β-exosite. This DARPin does not block substrate cleavage of BoNT/A3, indicating that DARPin-F5 is a subtype-specific inhibitor. BoNT/A1 Glu-171 plays a critical role in the interaction with DARPin-F5 and its mutation to Asp, the residue found in BoNT/A3, results in a loss of inhibition of substrate cleavage. In contrast to the in vitro results, DARPin-F5 promotes faster substrate cleavage of BoNT/A1 in primary neurons and muscle tissue by increasing toxin translocation. Our findings could have important implications for the application of BoNT/A1 in therapeutic areas requiring faster onset of toxin action combined with long persistence.