引言

蛇咬伤中毒是全球范围内一种严重且被忽视的热带传染病，每年造成超过10万人死亡，并导致数十万人遭受长久的残疾。尽管蛇毒在全球热带地区，尤其是在撒哈拉以南非洲、南亚、巴布亚新几内亚和拉丁美洲等地区的危害巨大，现有的抗蛇毒血清疗法却面临着高成本、效果有限以及供应不稳定等问题。传统的抗蛇毒血清依赖动物免疫产生的多克隆抗体，虽然能够拯救生命，但对许多毒素尤其是三指毒素（3FTx，Three-finger toxins）的中和效果有限。此外，许多现有的抗蛇毒血清对于神经毒素和组织坏死的中和效果较差，尤其是在毒素浓度较低或者延迟给药的情况下。如何开发一种既高效又能广泛应用的抗蛇毒治疗方法，成为了全球研究者亟待解决的难题。

1月15日Nature的研究报道“De novo designed proteins neutralize lethal snake venom toxins”，研究人员采用深度学习方法进行的“从头”蛋白设计（de novo protein design）研究，开辟了新途径。研究团队通过这种方法，设计出了一种能够有效中和致命蛇毒的蛋白质。与传统依赖动物免疫的方式不同，这些蛋白质是通过计算机模拟进行设计的，可以精准结合并中和三指毒素家族中的短链和长链α-神经毒素及细胞毒素。有意思的是，这些设计出来的蛋白质不仅具有极高的热稳定性和亲和力，而且能够在体外实验中有效地中和所有三指毒素亚类，并成功保护小鼠免受致命神经毒素的攻击。这一成果为未来抗蛇毒血清的开发提供了全新的思路，尤其是在资源有限的地区，它有望成为更安全、低成本且易于生产的抗蛇毒治疗方案。

这些由深度学习设计的蛋白质展现出了与现有最佳抗体相媲美的效果，其小巧的分子结构使其具备更好的组织穿透能力，能够更迅速有效地中和毒素，尤其适用于蛇毒引起的局部组织损伤。最重要的是，这些蛋白质的生产不依赖动物免疫，可以通过重组DNA技术在微生物中低成本地生产，为发展经济实惠的下一代抗蛇毒药物奠定了基础。因此，借助计算机设计的方法，我们有望在不久的将来彻底改变传统抗蛇毒血清的开发模式，并为全球的蛇咬伤患者带来更具希望的治疗方案。

蛇咬伤：被忽视的全球公共卫生危机

每年，全球有超过200万例蛇咬伤事件发生，导致超过10万人死亡，同时还会造成30多万人的永久性残疾。这些数字在全球热带地区尤为显著，尤其是在撒哈拉以南的非洲、南亚、巴布亚新几内亚和拉丁美洲等国家和地区。蛇咬伤成为全球最为严重的公共卫生危机之一，尤其在这些地区，由于医疗资源短缺、缺乏有效治疗手段，很多患者无法及时获得救治，导致死亡率和残疾率居高不下。

蛇毒本身对人体的危害性极大，其致命性和复杂性令现有的治疗手段难以应对。蛇毒中包含的三指毒素（3FTx）是导致中毒的关键成分之一，特别是其中的神经毒素。三指毒素通过抑制人体的神经系统，特别是对神经肌肉接头处的乙酰胆碱受体（nAChR）的阻断，导致呼吸麻痹、肌肉瘫痪，甚至死亡。蛇毒中的这些神经毒素能够迅速进入血液循环，并干扰神经系统的正常功能，往往在短时间内就能引发致命的后果。

除了神经毒素外，蛇毒中的细胞毒素也是一个重要的威胁。它们通过破坏细胞膜，导致局部组织坏死，造成严重的组织损伤，甚至需要截肢。这种毒素的致命性不仅仅体现在其对神经系统的影响，还在于它对局部组织的毁灭性破坏。许多蛇咬伤患者最终因细胞毒素导致的长期并发症，如肢体残疾或失去生活自理能力，而面临一生的痛苦。

尽管蛇毒如此致命，针对这些毒素的有效治疗仍然有限。现有的抗蛇毒血清疗法依赖动物免疫产生的抗体，尽管这些疗法能拯救一些生命，但它们对三指毒素等特定毒素的疗效却远远不够。因此，寻找新的、更高效的治疗方式成为全球医学界的迫切需求。

现有治疗方案的局限性

传统的抗蛇毒血清一直是应对蛇咬伤的主要治疗手段。然而，这种疗法面临着一系列显著的局限性，首先是生产成本的高昂。抗蛇毒血清的制备依赖于动物免疫，即通过在动物体内注射蛇毒，使其产生免疫反应并提取血清。这个过程不仅昂贵，而且需要大量动物实验，增加了伦理问题和资源消耗。此外，抗蛇毒血清的生产周期较长，需要精细的冷链运输和储存，这使得其在一些偏远地区的可及性受到限制，导致治疗的及时性和普及性大大降低。

除了成本问题，传统抗蛇毒血清的效果也受到许多因素的制约。首先，由于蛇毒的多样性，尤其是三指毒素（3FTx）家族毒素的结构复杂性，现有抗蛇毒血清在中和这些毒素时存在很大的挑战。三指毒素主要包括神经毒素和细胞毒素，其通过与神经受体结合，迅速阻断神经信号的传导，进而导致神经性中毒和组织坏死。尽管传统抗蛇毒血清能够针对蛇毒中的某些成分进行免疫反应，但对于三指毒素，尤其是长链神经毒素和细胞毒素，血清的中和效果往往不理想。这是因为三指毒素的免疫原性较低，无法在动物体内产生足够强烈的免疫反应，导致现有治疗方案的效果大打折扣。

更糟糕的是，传统抗蛇毒血清的作用常常存在不确定性，且需要根据不同地区蛇种的毒素特征进行专门研发。因此，对于来自不同地区的蛇咬伤，现有的血清并不能做到全面覆盖，导致一些毒素的中和效果低下，甚至无法起到治疗作用。

深度学习与蛋白质设计：开创抗蛇毒新纪元

“从头”蛋白设计（de novo protein design）是一个颠覆传统的生物工程方法，通过计算机模拟设计全新的蛋白质，而不依赖天然蛋白质的已有结构。这种方法的核心在于，研究人员使用先进的计算模型来预测蛋白质的三维结构和功能，然后通过人工智能技术优化这些设计，确保其能够在特定的生物学过程中发挥作用。与传统的蛋白质研究方法不同，“从头”设计不仅仅依赖于已有的天然分子模板，而是通过对蛋白质结构的全面理解和精确模拟，设计出全新的分子结构。对于蛇毒中毒治疗来说，这种方法能够迅速创造出专门针对特定毒素的中和蛋白，突破传统治疗方案的局限。

其中，深度学习技术在蛋白质设计中的应用，特别是RFdiffusion方法的引入，极大地加速了这一领域的进展。RFdiffusion是基于深度学习的蛋白质设计技术，它通过模拟蛋白质折叠的过程，预测和优化蛋白质的结构，最终设计出能够与毒素精准结合的中和蛋白。在设计过程中，RFdiffusion利用蛋白质的二级结构和分子间的相互作用来生成符合特定需求的蛋白质结构。这一方法能够极大减少实验中的试错成本，通过计算机模拟，研究人员可以快速筛选出最优的设计方案，并将其用于实际生产和验证。

通过RFdiffusion技术，研究团队成功设计了多种能够中和三指毒素的蛋白质。这些蛋白质不仅在结构上与目标毒素高度匹配，而且表现出卓越的热稳定性和亲和力，能够有效地中和毒素的毒性，减少蛇咬伤带来的危害。与传统的抗体设计相比，RFdiffusion方法的优势在于其无需依赖动物免疫或大规模筛选毒素库，能够快速且精准地开发出适应不同毒素的蛋白质，为全球范围内的蛇咬伤治疗提供了全新的解决方案。

三指毒素（3FTx）的靶点（Credit: Nature）

a：3FTx的结构
图中展示了三指毒素（3FTx）的结构模型（PDB 1QKD）。该结构中的三个指状结构（I–III）清晰标出，且高度保守的半胱氨酸残基用棍状符号突出显示。这些半胱氨酸残基在3FTx的功能和结构稳定性中起着至关重要的作用。

b：类型IA细胞毒素与脂质双层的相互作用
这部分展示了类型IA细胞毒素（深粉色，PDB 5NQ4）与脂质双层的相互作用。细胞毒素通过插入脂质双层膜，造成局部组织的损伤和细胞膜的破坏。

c：肌肉型乙酰胆碱受体（AChR）与毒素的相互作用
图c展示了肌肉型乙酰胆碱受体（AChR，浅蓝色，PDB 7Z14）与毒素结合的结构。乙酰胆碱结合位点（紫色）被明确标示出来。左侧插图展示了乙酰胆碱结合蛋白（AChBP，青色，PDB 3WIP）与乙酰胆碱（ACh，紫色）结合的细节，表明一组芳香族残基形成了围绕神经递质的“笼子”。中插图则展示了α-眼镜蛇毒素（深紫色，PDB 1YI5）如何阻止AChBP的ACh结合位点的访问。右侧插图则展示了ScNtx（深蓝色）如何阻止肌肉型乙酰胆碱受体（PDB 7Z14）中的ACh结合位点的访问。

d：α-眼镜蛇毒素结合物的设计
这部分展示了如何使用RFdiffusion方法设计α-眼镜蛇毒素结合物的示意图。该设计过程从目标毒素（深紫色）周围的β-链随机分布的氨基酸残基开始，通过逐步去噪的RFdiffusion步骤，最终获得一个与α-眼镜蛇毒素β-链相互作用的折叠结构。

设计出的蛋白质：高效中和蛇毒的潜力

通过“从头”蛋白设计，研究人员成功创造出了能够高效中和蛇毒的蛋白质。这些蛋白质不仅在稳定性和亲和力上表现优异，还能精准地针对蛇毒中的三指毒素（3FTx）家族进行有效的中和。在设计过程中，蛋白质的稳定性和亲和力是关键要素。为了确保设计出的蛋白质能够在实际应用中保持活性，研究团队注重蛋白质的热稳定性与结构稳定性。通过RFdiffusion技术，研究者们精确控制了蛋白质的三维结构，确保它们能够在体外和体内高温环境下保持稳定性。实验结果表明，这些蛋白质在高达78°C以上的温度下依然表现出卓越的稳定性，远超常规抗体的耐热能力。

与此同时，蛋白质的亲和力也是成功中和毒素的关键。设计出的蛋白质展现了对三指毒素的高度亲和性，这使得它们能够与毒素分子进行有效结合，阻止毒素与人体受体的结合，从而避免毒素引发的神经损伤和组织坏死。通过表面等离子共振（SPR）等高精度实验手段，研究团队发现，这些蛋白质与毒素的结合亲和力高达纳摩尔级（nM），比如针对短链神经毒素（ScNtx）的蛋白质亲和力为0.9 nM，表现出了与现有抗体相媲美的效果。

在实验验证方面，研究团队进一步通过体外实验验证了蛋白质的中和效果。通过与不同种类的蛇毒进行接触，设计出的蛋白质能够迅速并有效地中和三指毒素家族中的各类毒素，无论是神经毒素还是细胞毒素。例如，SHRT和LNG蛋白质在与蛇毒接触后，能够完全中和神经毒素ScNtx和α- Cobra毒素，展现出对这些致命毒素的卓越抑制能力。此外，这些蛋白质还成功通过了小鼠的体内实验，证明它们在实际应用中能够有效防止蛇毒引发的致命中毒反应。

这些实验结果表明，通过深度学习和蛋白质设计技术开发的中和蛋白质，具有极大的治疗潜力，不仅在实验室中表现出色，也为实际应用中的抗蛇毒治疗带来了新的希望。

应用前景：比传统抗蛇毒血清更安全、更便宜

相较于传统的抗蛇毒血清，新型的蛋白质治疗方案展现出显著的优势，特别是在安全性和成本方面。传统抗蛇毒血清依赖于动物免疫产生的多克隆抗体，这不仅生产周期长，而且需要大量的动物实验，增加了生产成本，并且容易出现批次间的差异，影响疗效。而设计出的小分子蛋白质，则具有许多独特的优势。首先，小分子蛋白质的生产成本远低于大分子抗体。它们可以通过重组DNA技术在微生物中高效生产，不仅减少了对动物的依赖，还能够实现大规模、低成本的生产。此外，这些蛋白质的分子结构较小，使得它们能够更快地穿透组织，尤其是深层组织，从而在中和毒素时具有更高的效率。这种快速的穿透力使得其在紧急情况下能够迅速发挥作用，特别是在蛇咬伤发生后的黄金治疗时间内，提供更有效的治疗。

更重要的是，这些小分子蛋白质的生产可以通过低成本的微生物发酵法来实现，从而极大地降低了生产和储存成本。这一特点使得它们特别适合在低收入地区广泛应用。在很多发展中国家和偏远地区，传统抗蛇毒血清由于冷链运输和储存条件的限制，往往无法及时提供治疗。相比之下，设计出的蛋白质不仅具有较长的稳定性，还能够在常温条件下保存，为这些地区提供了一个更为可行的治疗方案。

此外，这些蛋白质的生产过程不依赖动物免疫，大大减少了伦理问题和对资源的占用，能够确保更高的生产效率和产品一致性。结合其低成本、高效性和较长的储存稳定性，这些新型蛋白质为全球范围内的蛇咬伤治疗提供了新的希望。无论是在资源匮乏的地区，还是在大规模公共卫生事件发生时，它们都具有广泛的应用潜力，能够为数百万受蛇毒威胁的人们带来更安全、更经济的治疗选择。

未来：计算机设计的蛋白质将如何改变蛇咬伤治疗

随着计算机设计蛋白质技术的不断进步，未来的蛇咬伤治疗模式有望发生根本性变化。计算机设计的中和蛋白质通过精准的分子设计，不仅能够快速响应各种毒素，还能与传统的治疗方法形成互补，为患者提供更高效、更安全的治疗方案。传统抗蛇毒血清虽然依赖于多克隆抗体，但其高成本、生产周期长且对不同类型的毒素反应有限，常常使得治疗效果不尽如人意。相比之下，利用深度学习和“从头”蛋白设计技术研发的蛋白质可以针对蛇毒中的特定毒素进行设计，并通过重组DNA技术在微生物中低成本生产，极大地缩短了生产时间，降低了治疗成本，同时还能够针对特定毒素发挥更高效的中和效果。未来，结合这些小分子蛋白质与现有的抗蛇毒血清，可以实现更精准、更广泛的治疗覆盖，特别是在毒素种类繁多的地区，这种结合将大大提高抗蛇毒治疗的整体效果。

此外，计算机设计蛋白质的应用不仅限于蛇咬伤治疗，还可以扩展到其他被忽视的热带疾病中。类似的蛋白质设计方法可以应用于包括疟疾、登革热、埃博拉等热带疾病的治疗。这些疾病常常由于资源不足、治疗方案缺乏等问题，导致大量患者得不到及时救治。通过对疾病相关毒素或病原体的蛋白质靶点进行设计，研究人员可以快速研发出针对性强、疗效显著的治疗药物。例如，针对疟原虫毒素的设计，可以为抗疟治疗提供一种全新的方向，而对于登革热病毒的抗体设计，则能够有效应对病情急剧发展的局面。

因此，计算机蛋白质设计技术不仅为蛇咬伤的治疗开辟了新的希望，还可能在未来的医疗领域中大放异彩。通过这种技术，我们有望在全球范围内更有效地应对那些因资源和研究投入不足而长期被忽视的疾病，为全球公共卫生做出更大的贡献。

参考文献

Vázquez Torres, S., Benard Valle, M., Mackessy, S.P. et al. De novo designed proteins neutralize lethal snake venom toxins. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08393-x