Cryo-EM: Giải pháp phân tích cấu trúc có độ phân giải vượt trội cho các nghiên cứu về thuốc

Giới thiệu

Kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua Cryo-electron (cryo-EM) là công cụ thiết yếu để xác định cấu trúc của protein và đại phân tử. Những tiến bộ công nghệ gần đây đã cải thiện thông lượng và độ phân giải, cách mạng hóa các ứng dụng tiềm năng của cryo-EM trong việc khám phá dược phẩm.

Thiết kế hợp lý các liệu pháp thế hệ tiếp theo được hưởng lợi rất nhiều từ việc quan sát trực tiếp ở độ phân giải cao các dược phẩm nhắm trúng đích liên kết với các chất ức chế phân tử nhỏ của chúng. Cách tiếp cận dựa trên cấu trúc này trong thiết kế dược phẩm có thể dẫn đến tính đặc hiệu cao hơn, tạo ra các loại thuốc hiệu quả hơn với ít tác dụng phụ hơn.

Với những tiến bộ không ngừng trong phần cứng và phần mềm, cryo-EM đã tiếp tục đẩy giới hạn của phân tích dựa trên cấu trúc cho các đại phân tử, đặc biệt là những phân tử khó kết tinh và đặc trưng hóa bằng các phương pháp cấu trúc truyền thống. Các kỹ thuật cryo-EM như phân tích hạt đơn (SPA) đã được điều chỉnh để phân tích cấu trúc của protein và phân tử nhỏ, cho phép hình dung các phức hợp dược phẩm nhắm trúng đích ở độ phân giải cao, cũng như các tương tác của các phân tử nhỏ hoặc các tập hợp đại phân tử lớn. Các cấu trúc phân tử được xác định bằng SPA cung cấp những phân tích ở cấp độ gần nguyên tử cho việc phát triển dược phẩm, hướng dẫn thiết kế hợp chất từ ​​việc tìm ra hit đến lead và hơn thế nữa. Cryo-EM hạt đơn đặc biệt phù hợp để xác định cấu trúc sinh học và cung cấp thông tin quan trọng cho nhiều ứng dụng khám phá dược phẩm khác như lập bản đồ epitope kháng thể trị liệu và phân tích cấu trúc của các sản phẩm sinh học ngày càng lớn.

Cryo-EM đang đáp ứng áp lực ngày càng tăng để giảm thời gian ra thị trường cho các loại thuốc mới bằng cách cung cấp những hiểu biết mới về mối quan hệ cấu trúc-hoạt động. Điều này có thể giảm số lượng hợp chất cần phải tổng hợp và thử nghiệm, từ đó cho phép xác định các ứng viên dược phẩm hiệu quả cao trong ít lần lặp hơn.

Một trong những thách thức liên tục đối với các liệu pháp mới là tính đặc hiệu. Với việc đặc trưng hóa cấu trúc, khả năng chọn lọc của chất ức chế có thể được xác định thông qua thông tin độ phân giải cao từ các phức hợp protein-phân tử nhỏ. Điều này đòi hỏi phân tích với thông lượng cao các phức hợp nhỏ (<100 kDa) và thường không đối xứng. Trong ghi chú ứng dụng này, một phương pháp phân tích nhanh, độ phân giải cao của các phức hợp protein-dược phẩm được nêu bật, được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Ung thư (Anh) hợp tác với các nhà khoa học tại Thermo Fisher Scientific. Thông qua việc sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua Thermo Scientific™ Glacios™ 2 Cryo-TEM mới nhất, họ đã có thể xác định hơn hai chục cấu trúc kinase 3,5–4,5 Å với tốc độ khoảng 1 cấu trúc mỗi giờ.

Phương pháp

Tổng thể, phương pháp bao gồm việc đặc trưng hóa lưới và xác định cấu trúc độ phân giải trung gian trên Cryo-TEM 200 kV, sau đó thu thập dữ liệu cao cấp trên Thermo Scientific™ Krios™ G4 Cryo-TEM 300 kV có độ phân giải cao hơn. Điều này cho phép các cấu trúc ban đầu được thu thập nhanh chóng trong khi xác định các mẫu lý tưởng cho việc thu thập dữ liệu chất lượng cao hơn. Các mẫu này nên có độ dày băng tốt, mật độ hạt và định hướng phù hợp, sự xuất hiện của chất ức chế, và độ phân giải cấu trúc ban đầu triển vọng dựa trên quá trình xử lý dữ liệu.