蛋白质设计工具能否解决蛇毒血清短缺问题？
蛋白质设计工具能否解决蛇毒血清短缺问题？
Owl Posting
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Abhishaike Mahajan
2025 年 5 月 2 日
(注：如果您在 ICLR 并且错过了，我上周采访了蛋白质设计领域的 Sergey Ovchinnikov) 另一个注：就在昨天，也就是本文发布当天，《纽约时报》发布了这篇文章：通用抗蛇毒血清可能源于让蛇咬了自己 200 次的人。我被抢先了！有点。我在底部添加了一个附录部分来讨论这篇论文。
导言
最近，关于 Baker Lab 今年早些时候发表的“ 创建针对蛇毒蛋白的结合物 ”论文，以及 Derek Lowe 的这篇文章，引起了相当多的讨论。
快速回顾一下这篇论文：作者使用 RFDiffusion（一种从头生成蛋白质的计算工具）来设计与蛇毒中发现的神经毒性蛋白结合的蛋白质，从而阻止其与身体相互作用。他们提供了结构表征结果，以显示他们创建的蛋白质结合物与相关蛋白质（三指毒素）之间的结合，并且在小鼠体内实验中证明他们创建的蛋白质可以针对设计的蛋白质提供保护。
这是一项出色的工作，并且可能是 RFDiffusion 首次以如此直接的方式用于一个明显有用的问题（尽管其他人不同意这是第一次）。但是，这里有一些显而易见的问题：如果我们已经有市售的抗蛇毒血清，为什么还要计算设计针对毒液的结合物？要创建针对任何任意毒液的结合物，还需要做哪些进一步的工作？我们什么时候可以期待？
我问了这些问题，陷入了一个令人惊讶的兔子洞，并决定将结果汇编在一起并作为文章发布。这就是结果。
让我们开始吧！
蛇毒血清生产的糟糕现状
疫苗是典型的“对人类显然有好处，但利润激励很糟糕”药物。您花费数十亿美元用于研发和临床试验，给某人注射一次，然后他们将永远不需要该药物（或每十年需要一次）。因此，由于经济原因，您最终会遇到这些疯狂的案例，即有希望的疫苗被搁置数十年（参见 [疟疾疫苗惨败](https://www.owlposting.com/p/https:/worksinprogress.co/issue/why-we-didnt-get-a-malaria-vaccine-sooner/>），在此过程中损失了数百万人的生命。
在许多方面，蛇毒血清的生产反映了疫苗的问题，但规模较小。
但您不必相信我说的话！碰巧的是，《Works in Progress》杂志已经发表了一篇关于抗蛇毒血清制造状况有多么糟糕的文章。因此，与其耗费我自己的脑力，我将依靠他们写得非常好的文章中的引言来涵盖要点。
关于有多少人受到蛇咬伤的影响：
每年有 81,000 至 138,000 人死于毒蛇咬伤，另有 400,000 人留下永久性残疾。这使其成为最致命的被忽视的热带疾病之一，与其他更为人所知的疾病（如斑疹伤寒和霍乱）并列。
关于抗蛇毒血清的成本：
仅在撒哈拉以南非洲，2010 年抗蛇毒血清的平均成本为 124 美元，对于那些每天生活费不足 1.90 美元的撒哈拉以南非洲人来说，这是一个高昂的价格。这甚至不包括护理或设施的费用。对 129 名孟加拉国蛇咬伤受害者的一项调查发现，超过 40% 的人不得不贷款来支付费用。
关于抗蛇毒血清短缺的状况：
对抗蛇毒血清的需求每年都在增加，但优质抗蛇毒血清的供应却未能跟上。2011 年的一项研究发现，有六家公司生产在撒哈拉以南非洲销售的抗蛇毒血清。这些公司生产了 410,500 瓶抗蛇毒血清，仅足以治疗 96,000 例病例。这仅占非洲大陆估计总病例的三分之一……2016 年全球抗蛇毒血清市场价值为 11 亿美元，预计到 2021 年将达到 15 亿美元。但实际上下降到 10.2 亿美元。
为什么会出现短缺：
未经充分测试、贴错标签，有时甚至是彻头彻尾的欺诈产品造成的混乱导致了目前的困境：一个柠檬市场。对抗蛇毒血清治疗的信心下降了……即使以高产量和低价格生产抗蛇毒血清从长远来看是有利可图的，但生产者一直不愿意进行必要的大量前期投资以实现该规模，这在很大程度上是由于不确定政府和诊所是否会兑现以这些价格购买的承诺。另一方面，政府和诊所在一次又一次地被廉价抗蛇毒血清的承诺烧伤后，变得不愿发出大量采购订单。
因此，在弄清楚我们为什么需要更好的抗蛇毒血清之后，我们可以继续了。在我们开始讨论如何改进抗蛇毒血清之前，我们应该首先了解毒液。
蛇毒异质性入门
请记住，蛇毒不仅仅是一种东西，而是一个蛋白质（和小分子，尽管这些不太重要）混合物的总称。这里的治疗问题是，毒素的组成可能在四个不断增加的分类特异性水平上有所不同：
- 蛇科之间（显而易见）
- 蛇种之间（显而易见）
- 同一物种的蛇之间（不太明显）
- 随着时间的推移，同一条蛇体内（令人困惑）
让我们按顺序进行。
在科的水平上，毒液组成异质性是最强的。总共有大约 20 个蛇科，但只有 4 个已知是有毒的：Viperidae（蝰蛇科）、Elapidae（眼镜蛇科）、Atractaspididae 和 Colubridae。其中，后两者通常在蛇咬伤的讨论中被排除在外，因为它们要么非常害羞，要么毒液相对无害，要么由于它们的毒牙位置而无法咬伤人类（例如，后沟牙蛇）。因此，我们将重点关注蝰蛇科和眼镜蛇科。 这两个科的毒液组成差异最大。
- 眼镜蛇科毒液含有三指毒素 (3FTxs，这是 Baker Lab 论文中讨论的毒素)、磷脂酶 A2 酶 (PLA2) 和 Kunitz 型丝氨酸蛋白酶抑制剂。这些毒素主要具有神经毒性。
- 蝰蛇科毒液主要由酶促蛋白组成，例如蛇毒金属蛋白酶 (SVMPs)、蛇毒丝氨酸蛋白酶 (SVSPs) 和 L-氨基酸氧化酶 (LAAOs)。这些酶主要引起组织破坏、出血和凝血病。
因此，显然，完全不同的蛋白质类别，因此需要完全不同的疗法。很简单，让我们保留两种类型的抗蛇毒血清，每种类型针对一个科。
但是，虽然蛇科之间的蛋白质大体上有所不同，但在同一科的物种中仍然存在重大偏差；主要的例子是毒素组成完全是单个物种独有的。Naja nigricollis（黑颈喷毒眼镜蛇）的毒液除了神经毒素外，还独特地 含有细胞毒素，但必须承认，除非注射到眼睛附近，否则细胞毒素本身并没有特别危险。更致命的是，Dendroaspis polylepis（黑曼巴）的毒液具有特别高浓度的 dendrotoxins，这些神经毒素足以在咬伤后一小时内导致死亡。但也存在蛇种毒液之间存在非凡的组成异质性的情况；没有独特的蛋白质，但有独特的临床影响。这里典型的案例是 Daboia russelii（罗素蝰蛇），它独特地产生高度促凝血的毒液，尽管缺乏完全独特的蛋白质，导致反常的血液凝结、肾功能衰竭，最终导致死亡。
好的。针对每种蛇咬伤的两种抗蛇毒血清是一种幻想，也许我们需要扩大规模。也许针对每种毒蛇物种的抗蛇毒血清？只有 600 种左右。这还不错。
但是，再一次，还有另一个层次的异质性。 蛇毒组成不仅可以在物种之间变化，而且在物种内部也可以变化。众所周知，Crotalus scutulatus（莫哈韦响尾蛇）的种群会产生完全不同类型的毒液。一些种群产生的毒液含有突触前神经毒素（A 型），而另一些种群则完全缺乏它，而是产生富含出血性金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶的毒液（B 型）——这两种毒液都需要完全不同的抗蛇毒血清。而且，有时，有些蛇同时拥有这两种类型的毒液。 最令人担忧的是，所有这些毒液类型的地理变化都相当混合；有时被城市隔开，但有时仅被几英里隔开。在 Crotalus horridus（北美木纹响尾蛇）中也注意到了一种几乎相同的现象。
来自 这里
好的。好的，好的，好的。我们需要针对同一物种的不同种群的不同抗蛇毒血清。这似乎是一个边缘情况……所以也许它并没有增加我们需要储备的抗蛇毒血清的数量。就这样了吗？
最后一点。即使是物种 + 区域特异性也不够**，因为毒液组成会在一条蛇的一生中发生变化。**
这方面的一个引人注目的例子是 Pseudonaj 科（澳大利亚棕蛇），它们在幼年时期的毒液没有凝血作用，但随着成年而转变为凝血作用。除了一个特定物种外，它们在成年后继续拥有非凝血性毒液！ 为什么会发生这种情况？通常被称为毒液个体发育转变，它 很可能是由基于饮食的选择压力驱动的。 并且这些毒液转变并不是随着年龄的增长，它们的毒液蛋白质组组成的突然变化，而是随着时间的推移逐渐转变。 因此，不会有“幼蛇”抗蛇毒血清和“老蛇”抗蛇毒血清，因为它只是一个光谱。
幸运的是，那是毒液复杂性的最后一层。
考虑到所有这些，人们可能会开始将毒液视为一种几乎……类似于癌症的现象。它非常异质，在某种意义上，一种情况有效的方法可能对另一种情况完全无效，即使它们表面上看起来相似。甚至这种毒液差异甚至存在的原因的理论框架也很模糊。例如，我们可以指出基于饮食的选择压力来解释个体发育转变，但即使那样也无法 完全解释我们在像我们之前提到的莫哈韦响尾蛇这样的物种中看到的地理变化。
但与癌症不同的是，我们至少在理论上有一个真正的解决方案：抗蛇毒血清。必须承认，抗蛇毒血清必须考虑到蛇类型、物种、区域和蛇年龄特有的毒液异质性。但无论如何，这都是一个解决方案。说到这，这是我们的下一个话题。
但是，在我们继续之前，值得注意的是，本节主要讨论了毒液的蛋白质组组成。其中的小分子呢？不幸的是，关于它们的信息相对较少。我们知道它们存在，一篇综述论文 特别指出在毒液中发现了'盐、氨基酸、激素、核苷、神经递质和多胺'。但仅从文献综述来看，尚不清楚这些物质到底有什么作用。鉴于现成的抗蛇毒血清似乎在很大程度上忽略了这些物质的存在，我假设这些小分子主要用于放大或稳定毒液的蛋白质组成分。因此，我也将在下一节中忽略它们。
蛇毒血清入门
在基本层面上，抗蛇毒血清相对简单。与我们体内漂浮的几乎所有 [不好的] 东西一样，处理毒液的最佳方法是简单地防止它与任何东西相互作用。在病毒、细菌甚至癌症的情况下，身体进行的一种方式是通过抗体（我已经写了很多关于抗体的文章）。要创建抗蛇毒血清，需要做完全相同的事情。只需大量生产与蛇咬伤的蛋白质结合的抗体，阻止它与你体内的任何其他物质相互作用，你就痊愈了！
这可能会立即引发一个问题：一条蛇产生的抗蛇毒血清是否仅适用于该物种？我们花了这么多时间谈论的毒液异质性问题有多大？
嗯……这很复杂。在绝对理想的情况下，如果你想确保每个蛇中毒病例都能得到治疗，你需要有与每种可能的毒液组成相匹配的蛇种（其计数未得到充分研究）并且愿意持续生产毒液（这是 一些蛇（例如珊瑚蛇）的一个臭名昭著的问题）。由于这个原因，大多数抗蛇毒血清几乎是必然地变得高度专业化。一篇综述论文有这样一种疯狂的说法：例如，印度有 60 多种毒蛇，并且没有针对其中大多数蛇的特定抗蛇毒血清。如果你被一条不是“四大”蛇（眼镜蛇、金环蛇、锯鳞蝰和罗素蝰蛇）之一的蛇咬伤，那么抗蛇毒血清在很大程度上是无效的。
那么，我们需要生产多少种毒液才能产生有效的抗蛇毒血清？嗯，虽然我确实说过全世界有 600 种毒蛇，但 只有 200 种会产生对人类危险的毒液。但请记住，我们需要处理区域和个体发育差异的复杂性。而且，不幸的是，从文献中很难清楚地了解这两个额外的复杂性层需要多少额外的抗蛇毒血清。
但也许我们完全走错了方向。我们可以重新定义这个问题，而不是试图提出一个包含所有可能毒液组成的通用列表。与其关心毒液的宇宙，不如关心所有可能毒液中包含的蛋白质宇宙。
从临床上讲，这意味着放弃考虑单价抗蛇毒血清（从单一物种衍生的抗蛇毒血清），而是依赖多价抗蛇毒血清（已组合在一起的多种不同的抗蛇毒血清）。这样，我们就不需要将 200 多个不同的抗蛇毒血清小瓶放在一起，而是将它们组合成几十种组合。如果你在澳大利亚被蛇咬伤（并且在接下来的 15 分钟内没有死亡），我们不需要尝试识别咬伤你的确切物种并提供特定的抗蛇毒血清。
相反，你只会得到从生活在澳大利亚的所有蛇中提取的抗蛇毒血清。 或者至少是某些主要的蛇种，假设我们缺乏的蛇毒会产生足够的交叉中和（也称为（副特异性中和））。
实际上，这正是所做的事情。至少在澳大利亚，那里有一种多价抗蛇毒血清 获得许可，用于治疗澳大利亚主要蛇类（太攀蛇、棕蛇、虎蛇、死亡蝮蛇、黑蛇，其中许多蛇类共享有毒蛋白质）的中毒。当然，这里没有免费的午餐；必须以相对较大的剂量给药多价抗蛇毒血清，因为它们被稀释到多个毒液靶标中。这意味着会有更多的抗体漂浮在周围，增加了血清病或过敏反应等免疫反应的可能性。混合物越复杂，风险就越大。此外，因为你实际上并没有覆盖所有蛇种，至少某些蛇种的中和效率可能不存在。
但让我们忽略这里的细微差别，并假设我们需要几组多价毒液就足够了，这大大简化了我们刚刚讨论的极端毒性异质性水平。
我们到底如何获得这些抗体？特别是考虑到我们在蛇毒中看到的极端异质性？再一次，我被 另一篇（非常最近）的《Works in Progress》文章 抢先了一步，他们对抗蛇毒血清的传统生产过程有这样的说法：
就分子复杂性而言，请考虑抗蛇毒血清。制造抗蛇毒血清的方法在过去 100 年中没有太大变化。首先从蛇身上提取毒液，然后将其注射到马或绵羊体内，这些动物会产生多种不同的抗体和抗体片段，这些抗体和抗体片段与毒液结合……从这些动物身上采集血液，从血浆中纯化抗体，然后将其给予被毒蛇咬伤的人。
为什么选择马和绵羊来生产抗体，而不是大肠杆菌或酵母或哺乳动物细胞？主要是大小。与微生物系统相比，马和绵羊是大型动物，可以产生大量的血液（因此也产生抗体），而微生物系统通常比它们在抗蛇毒血清的糟糕经济状况下更有价值。此外，它们的免疫系统与我们的免疫系统相当相似，这意味着它们产生的抗体更有可能在人类体内发挥作用，而不会引起严重的免疫反应。
但是我们可以通过微生物系统生产抗蛇毒血清吗？如果我们想要任意设计的抗体，而不是动物对注射毒液自然产生的任何东西，这将是必要的。 我们将在下一节中对此进行更多讨论。
当然！许多初创公司已经成立来做到这一点。它的基本想法是简单地经历通常的马/绵羊生产过程，找到针对毒液产生的抗体，并通过基因工程让大肠杆菌细胞产生相同的东西。因此我们有了像 Venomyx 这样的公司，成立于 2015 年，以及 VenomAb，成立于 2016 年。
他们做得怎么样？嗯……两者都倒闭了。尚不清楚 Venomyx 关闭的原因，但对于 VenomAb 而言，关闭的原因正如可以猜测的那样，为投资者带来回报几乎是不可能的。 没有技术上的不可行性，只是很难从中赚钱。
此时，你应该了解三件事：
- 为什么存在抗蛇毒血清短缺
- 毒液的异质性
- 抗蛇毒血清的相关异质性 + 生产困难
有了这些背景知识，我们终于可以回答这个问题：蛋白质设计模型是否能解决抗蛇毒血清短缺问题？
计算设计的抗蛇毒血清真的能解决问题吗？
在讨论最初的 Baker lab 论文的两篇文章中，都提到了这项工作本身并没有解决蛇毒的问题。_为什么？_你可能会问，难道体内实验结果没有表明它们可以解决问题吗？ 嗯，重要的是，体内实验结果实际上不是设计的蛋白质与蛇毒，而是设计的蛋白质与三指毒素。 Derek Lowe 特别指出：
这些本身仍然不能治疗蛇咬伤，必须指出的是。蛇毒中还有其他类别的有害成分，其中磷脂酶是首选。
但实际上，这是一个次要问题。老实说，我们正接近通过计算方法按需获得针对任何任意靶标的结合物的未来。 有人会说我们已经到了那里，所以不得不处理一些额外的酶不应该是一个大问题。
此外，关于我们对毒液异质性的喋喋不休，我们还讨论过，很可能整个问题并不重要，并且交叉反应/多价抗蛇毒血清可以挽救局面。澳大利亚抗蛇毒血清就是这种情况，但它可以进一步发展。仅在 2024 年，研究人员筛选了 500 亿个抗体，以找到一个与眼镜蛇科中发现的所有三指毒素结合的抗体，其中许多抗体的结构非常多样。我们能否为蝰蛇毒液中的金属蛋白酶找到类似的通用抗体？对于磷脂酶？即使我们找到了，我们能否让所有这些抗体在一个单一的混合物中协同工作，以中和所有毒液类型，而不会引入新的安全问题？
老实说，很可能。感觉在毒素家族中会发现类似的“普遍性”是一个不错的赌注——毒液之间的进化差异必然不会太多。
随着时间的推移，像这样的方法可能会导致一种单一的、极具交叉反应性的抗蛇毒血清。 其中只包含一、二个或类似少量独特抗体，但仍然可以同时中和不同类别、物种、区域和蛇龄的毒液。不再需要识别蛇来施用正确的抗蛇毒血清——如果你设法活着到达医院，就会有治疗方法等着你。 我们很可能生活在一个永远无法实现这些“圣杯”抗蛇毒血清的世界中，但我认为有足够的理由相信这是可能的，所以我将在本文的其余部分中假设它们的存在。
那么，我是否在说计算设计的抗蛇毒血清将预示着抗蛇毒血清短缺的结束？好吧，假设我们拥有这种理论上的通用抗蛇毒血清，由我们的蛋白质设计霸主赐予我们。或者可能是通过噬菌体展示。或者可能是噬菌体展示与蛋白质设计方法相结合以进一步优化它们，无论是什么。
这是一个悲观的未来：请记住，即使抗蛇毒血清很难制造，但它仍然是一个糟糕的市场。至少疫苗具有第一世界儿童需要它们的经济利益，通常由富裕的政府或全球倡议支持，这些政府或全球倡议提供有保障的需求，从而确保盈利能力。抗蛇毒血清缺乏这种优势：它们主要影响发展中国家的低收入人群，这些地区的购买力有限、医疗基础设施不完善且需求不可预测。没有富裕的父母或政府定期排队提前购买抗蛇毒血清，从而导致了我们已经概述的经济困境。
即使我们拥有完美的通用抗蛇毒血清，这种局面似乎也不会发生显着变化**。** 市场确实会略有扩大，人们可能更愿意信任和寻求医院治疗，而且政府可能更有动力维持稳定的供应。但从根本上讲，仍然是在为购买力非常有限且需求不可预测的人群服务。 完美的计算设计抗蛇毒血清并不能保证市场激励。它只是让以前糟糕的市场变得稍微好一点。
在这个世界中，蛋白质设计模型几乎没有改变现状。充其量，我们幻想出的抗蛇毒血清的热稳定性——在 Baker lab 论文和许多人工智能生成的蛋白质中都看到了这种现象——使冷链瓶颈得以缓解。这并非毫无意义！但可能还不够。
然而……还有更乐观的一面，我们讨论的第一篇 WiP 文章暗示了这一点。引用那里的话：
_如果抗蛇毒血清