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导读：L-天冬酰胺酶（ASP）以其在治疗血液系统恶性肿瘤方面的出色功效而闻名。不幸的是，ASP的内在缺陷，即免疫原性高，毒性严重，半衰期短，稳定性差，限制了其临床应用。ASP的聚乙二醇偶联（聚乙二醇）偶联（聚乙二醇化）是解决这些问题的有效策略，但由于复杂的化学合成程序，偶联后ASP活性降低以及人类中预先存在的抗PEG抗体，它在临床应用中并不理想。
6月4日，北京大学高卫平团队在《Advanced Science》在线发表题为“Thermoresponsive Polypeptide Fused L-Asparaginase with Mitigated Immunogenicity and Enhanced Efficacy in Treating Hematologic Malignancies”的研究论文，该研究通过基因工程设计了一种类弹性蛋白多肽（ELP）融合的ASP（ASP-ELP），这是一种由AlphaFold2预测的核壳结构四聚体，能够克服ASP和PEG-ASP的局限性。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202300469
研究背景
01
血液系统恶性肿瘤，主要包括白血病、淋巴瘤和多发性骨髓瘤，预后不良，死亡率高。在过去的二十年中，血液恶性肿瘤的药物开发已经从化疗转向生物疗法，如单克隆抗体、免疫检查点抑制剂和嵌合抗原受体 T 细胞。然而，由于脱靶效应，这些疗法遇到了巨大的挑战，抗原逃逸、免疫相关不良事件和免疫治疗耐药性。L-天冬酰胺酶（ASP）是最具标志性的疗法之一，30多年来一直主导着血液系统恶性肿瘤的治疗。ASP可以通过催化L-天冬酰胺的分解来诱导癌细胞的凋亡，这对于它们的生长至关重要。不幸的是，由于ASP的免疫原性高、毒性严重、半衰期短、稳定性差，通常需要多次大剂量给药才能达到足够的治疗效果，这不可避免地会引起严重的副作用，如超敏反应、胰腺炎、肝脂肪变性、肝硬化和凝血障碍。
ASP的聚乙二醇化已被证明是克服这些问题的有效策略。事实上，PEG-ASP，商业名称Oncaspar，于2006年被美国食品和药物管理局（FDA）批准为急性淋巴细胞白血病（ALL）的一线治疗药物。然而，最近的研究发现，由于PEG在食品、化妆品和药品中的应用，预先存在的抗PEG抗体在人类中广泛存在，这可能诱发血液清除加速（ABC）现象和严重的超敏反应，并降低其临床疗效。因此，研究人员试图将聚（羧基甜菜碱）（PCB），谷氨酸和赖氨酸（EK）肽或聚-（L）-脯氨酸（PLP）与ASP偶联，而不是PEG。然而，化学合成的固有缺点，包括复杂的合成过程、缺乏可重复性、低产率和高成本，使得这些ASP-聚合物偶联物的临床应用极其困难。
研究进展
02
先前的研究发现，由Val-Pro-Gly-Val-Gly重复组成的弹性蛋白样多肽（ELP）可以在注射后迅速形成具有零级释放动力学的缓释库，从而延长药物半衰期，避免高浓度诱导的副作用，提高最大耐受剂量（MTD），提高干扰素-α的治疗效果。受此启发，我们假设ASP的ELP融合将产生AlphaFold2预测的核壳结构四聚体，通过包裹ASP的抗原表位来降低ASP的免疫原性。我们进一步推断，ASP-ELP独特的热敏性应该在腹膜内注射时形成缓释药物库，从而改善药代动力学，降低全身毒性并增强抗肿瘤功效。为了确认ASP-ELP是否可以替代PEG-ASP和ASP作为更有前途的血液系统恶性肿瘤治疗剂，我们通过活性保留和稳定性的体外研究以及MTD，药代动力学，免疫原性，毒性和抗肿瘤作用的体内研究来测试它们的性能。
用于治疗血液恶性肿瘤的ASP-ELP核壳结构四聚体的AI辅助设计示意图。A）ASP-ELP的生物合成和结构预测。将ASP片段遗传融合到ELP的N末端以构建ASP-ELP质粒，然后在大肠杆菌（大肠杆菌）中过表达。利用AlphaFold2获得同源四聚体复合物结构，预测ASP-ELP与ASP-ELP之间的相互作用。ELP链缠绕在ASP的四聚体表面，形成核壳结构，掩盖ASP的抗原表位，赋予ASP-ELP低免疫原性和高稳定性。B）ASP-ELP独特的热敏性使得在注射后形成具有零级释放动力学的原位缓释库成为可能，从而增加MTD，增强药代动力学，减轻免疫原性，提高疗效并降低毒性。相反，高免疫原性ASP瞬间分布到体循环系统中会产生高浓度ASP，诱导免疫毒性和剂量相关毒性，导致药代动力学和疗效差。
研究成果
03
总之，我们通过对弹性蛋白样多肽（ELP）融合ASP（ASP-ELP）进行基因工程改造，这是一种由AlphaFold2预测的核壳结构四聚体，以克服ASP和PEG-ASP的局限性。值得注意的是，ASP-ELP独特的热敏性使得注射后能够长时间原位形成具有零阶释放动力学的缓释库。体外和体内研究表明，与ASP和PEG-ASP相比，ASP-ELP具有更高的活性保留，改善的稳定性，延长的半衰期，减轻免疫原性，降低毒性和增强的功效。事实上，在白血病或淋巴瘤小鼠细胞系衍生异种移植（CDX）模型中的ASP-ELP治疗显示出有效的抗癌作用，显着延长了生存期。研究结果还表明，人工智能（AI）辅助的基因工程在设计蛋白质-多肽偶联物方面具有指导意义，并可能为开发下一代生物制剂以增强癌症治疗铺平道路。
参考资料：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202300469
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