氨基酸長期以來被廣泛用于藥物制劑中，作為賦形劑防止蛋白聚集、延長藥效。例如，在免疫球蛋白藥物（如 Cuvitru®、Privigen®、Hizentra®）中，脯氨酸與甘氨酸已被反復(fù)驗(yàn)證具有良好的穩(wěn)定作用。然而，這一效應(yīng)的機(jī)制始終不明：這些小分子究竟如何起效？它們的作用是否僅限于蛋白質(zhì)，還是更廣泛的膠體物理現(xiàn)象？
2025年9月10日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）Francesco Stellacci教授、麻省理工學(xué)院（MIT）Alfredo Alexander-Katz教授、南方科技大學(xué)（SUSTech）羅智教授組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在Nature 上以 “Stabilizing effect of amino acids on protein and colloidal dispersions”為題發(fā)表研究論文，首次提出并驗(yàn)證了一種普適的膠體穩(wěn)定機(jī)制。該機(jī)制不僅解釋了氨基酸的穩(wěn)定效應(yīng)，還建立了一個可定量預(yù)測的新理論模型，為藥物配方、蛋白穩(wěn)定劑、納米材料等多個領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)工具。
圖1：小分子提升膠體穩(wěn)定性的理論框架。
小分子如何穩(wěn)定大分子？關(guān)鍵在“第二維里系數(shù)”
研究人員通過測量第二滲透壓維里系數(shù)（B22）和平均力勢（PMF），系統(tǒng)評估了氨基酸對蛋白質(zhì)、DNA 和無機(jī)納米顆粒等不同類型膠體的影響。結(jié)果顯示，加入氨基酸可顯著提高 B22，增強(qiáng)顆粒之間的排斥作用，從而抑制聚集。這一效應(yīng)與鹽的作用方向相反——鹽通過“屏蔽排斥力”降低 B22，使顆粒更易聚集，而氨基酸則通過“吸引屏蔽”機(jī)制削弱膠體間的吸引力，提升穩(wěn)定性。
圖2：不同蛋白質(zhì)、DNA和納米體系在加入氨基酸后，二體滲透系數(shù)（B22）普遍增加。
就像在一條擁擠的走廊里，兩位本想打招呼的同事被人群隔開、錯身而過，氨基酸在溶液中增加了“背景小分子密度”，從而讓膠體彼此“看不見”對方，降低聚集概率。
提出可預(yù)測的新理論：膠體表面“斑塊模型
為理解這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個新模型：將膠體顆粒視為表面帶有“斑塊”的粒子，氨基酸以Langmuir 等溫吸附的方式可逆地結(jié)合在這些位點(diǎn)上，部分遮蔽顆粒間的結(jié)合能力。隨著氨基酸濃度升高，未被“遮擋”的吸引斑塊減少，B22 值隨之上升，反映出體系更加穩(wěn)定。
這一模型不僅可擬合脯氨酸、甘氨酸、絲氨酸、丙氨酸等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其參數(shù)還與動態(tài)光散射等測量方法所獲得的蛋白尺寸相吻合。同時，該理論也成功解釋了文獻(xiàn)中關(guān)于乙醇、蔗糖、甘油等非生物小分子對蛋白穩(wěn)定作用的數(shù)據(jù)。
研究由此提出三個重要結(jié)論：
1.帶電氨基酸只會穩(wěn)定帶有相反電荷的蛋白質(zhì)；
2.短肽的穩(wěn)定效果與等量單體氨基酸相當(dāng)，甚至更強(qiáng)；
3.所有能與膠體發(fā)生弱相互作用的小分子，只要能增強(qiáng)表面溶劑化，都可能成為有效的穩(wěn)定劑。
換言之，這一理論揭示了一個普適的、非特異性的膠體物理機(jī)制，并提供了可預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，填補(bǔ)了長期以來生物制劑設(shè)計(jì)中的理論空白。
從胰島素案例到細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的新思路
作為該理論的直接應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)嘗試將脯氨酸用于優(yōu)化胰島素制劑。在超離心實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，脯氨酸能減少胰島素六聚體的形成，增加其單體和二聚體比例。進(jìn)一步的動物實(shí)驗(yàn)顯示，添加 1 M 脯氨酸后，胰島素在小鼠體內(nèi)的血漿濃度–時間曲線下面積幾乎翻倍，峰值濃度也提高了一倍，顯著提升了其體內(nèi)生物利用度。研究人員指出，這一發(fā)現(xiàn)不僅為胰島素等藥物的配方優(yōu)化提供了新思路，也凸顯了氨基酸等小分子作為“隱形作用力”在藥物穩(wěn)定性提升中的潛力。
圖3. 脯氨酸能抑制蛋白質(zhì)相分離；減少了應(yīng)激顆粒（stress granules）的形成；提升了胰島素的生物利用度。
此外，這項(xiàng)工作還為理解細(xì)胞內(nèi)分子穩(wěn)態(tài)提供了新視角。例如，在滲透壓脅迫下，細(xì)胞會積累脯氨酸；在蛋白降解過程中，也會釋放氨基酸與短肽。這些分子雖常被視為“代謝背景”，實(shí)則可能通過調(diào)節(jié) B22 持續(xù)影響細(xì)胞內(nèi)蛋白–蛋白相互作用、相分離行為，乃至更廣泛的結(jié)構(gòu)功能調(diào)控。
展望：推動藥物與材料體系的理性配方設(shè)計(jì)
盡管鹽濃度在多數(shù)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中被嚴(yán)格控制與系統(tǒng)報(bào)告，氨基酸及其他小分子溶質(zhì)的濃度對膠體體系行為的影響卻長期被忽視。本研究強(qiáng)調(diào)，這些小分子雖不直接參與反應(yīng)，卻可通過弱相互作用顯著調(diào)控蛋白聚集與溶液穩(wěn)定性，其濃度應(yīng)與pH、離子強(qiáng)度等參數(shù)一道，納入制劑開發(fā)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化記錄體系。目前，研究團(tuán)隊(duì)正致力于將該理論進(jìn)一步拓展為面向藥物、食品與生物材料領(lǐng)域的智能配方設(shè)計(jì)工具，以期在復(fù)雜體系中實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)定性與功能性的定量預(yù)測與精準(zhǔn)調(diào)控。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09506-w
