▎藥明康德内容團隊編輯
當你在生病時服下藥物、看到自己的症狀逐漸好轉時，是否想過這樣的問題：這些藥物分子在自己的身體内都去哪了，它們與哪些細胞的結合更緊密？
解答這些問題，不僅是為了滿足好奇心，而且對于了解藥物作用機制、推進未來的藥物研發都有着重要意義。
不過，這卻是一個長期困擾科學界的未解之謎。要追蹤小分子藥物在體内（尤其是複雜的腦部）的分布細節，就需要在單細胞分辨率上實作小分子藥物的成像，看清它們與每個細胞結合的情況。
問題在于，臨床上普遍使用的正電子斷層造影（PET）無法達到單細胞分辨率；而能夠标記分子、實作高分辨率成像的熒光成像技術也存在緻命問題：如果直接進行熒光基團修飾，添加至藥物小分子上的熒光基團太大了，可能會明顯改變藥物性質。
是以，一道難題被擺在所有研究者面前：什麼樣的熒光标簽修飾方式，可以在不影響藥物性質的前提下清晰成像？
在一項發表于《細胞》雜志的最新研究中，斯克利普斯研究所Li Ye（葉立）教授帶領團隊，首次在生物體内實作了單細胞分辨率的小分子藥物成像，這項名為CATCH的全新技術将為藥物機制的了解與藥物研發提供寶貴資訊。
▲CATCH實作小分子藥物成像的實驗流程示意圖（圖檔來源：參考資料[1]）
Ye教授團隊使用的政策，是近年來備受青睐的“點選化學”。點選化學的概念是由諾獎得主Barry Sharpless教授在2001年提出的。它的核心概念是基于碳-雜原子鍵結合進行分子組合，如果這個過程可以快速完成多種分子的化學合成，并且産率高、适用性廣、副産物無害，那麼它就可以被認定為點選化學。
在這項研究中，為了引入熒光基團，研究團隊首先在藥物上修飾末端炔基，這樣的修飾并不會影響小分子藥物的活性與選擇性，是以它們可以正常抵達身體的目标區域。
當小分子藥物就位，點選化學就派上了用途。這項研究使用的是點選化學中最經典的一類反應：銅催化疊氮炔環加成機理（CuAAC）。在這裡，炔基與熒光标簽分子上的疊氮化物加成、形成一個環狀分子，進而實作了較大的熒光标簽的引入。
為了檢驗這一政策的效果，實驗使用的具體藥物，是經過炔基修飾的脂肪酸酰胺水解酶（FAAH）抑制劑PF7845-yne，這種小分子藥物可以與FAAH形成穩定的共價鍵。
将這一反應應用于小鼠大腦切片時，他們注意到另一個問題：動物組織中的脂質影響了熒光的穿透能力。為了提升穿透效果，研究團隊采用組織透明技術，在保持原有細胞形态的同時成功去除了脂質。
随後，研究團隊針對CuAAC反應進行了一系列優化，最終實作了動物組織内高效專一的藥物标記。這項技術讓研究團隊在不同器官、不同組織、不同細胞間清晰看到藥物分子的結合分布，同時，研究團隊實作了大體積組織内的高分辨率三維藥物成像。
▲CATCH實作了單細胞分辨率的藥物分子成像（圖檔來源：斯克利普斯研究所）
研究團隊将這項新技術命名為透明輔助組織點選化學（Clearing-Assisted Tissue Click Chemistry，簡稱CATCH）。
接下來，研究團隊在小鼠實驗中檢驗了CATCH的應用效果。這項技術展示了不同藥物分子在小鼠不同腦區的分布情況，以及這些分子主要靶向的細胞類型。CATCH還為研究人員揭示了不同劑量的藥物具有的分布差異。例如，這項研究首次觀察到，在未達到飽和劑量時，離血管近的區域有更高的藥物結合。
▲CATCH揭示了藥物分子在小鼠大腦中的結合分布情況（圖檔來源：參考資料[1]）
可以說，CATCH已經令我們窺見前所未見的細節，而它展現出的前景同樣值得期待。CATCH帶來的高分辨率成像，将為了解小分子藥物功效與潛在的副作用機制帶來新的機遇。
論文最後也指出，目前CATCH技術還有一定的局限性。現階段其主要應用于“共價抑制劑”，即藥物基團能與靶點形成共價鍵。但要應用于非共價抑制劑，這項技術還有待進一步開發。此外，CATCH目前還不能直接應用于全腦甚至是全身的成像。研究團隊表示，他們正在研究如何擴大成像的體積，最終希望在完整小鼠内進行單細胞分辨率的藥物成像。
本文由Li Ye團隊主導，第一作者為博士生龐正源。本文得到了Benjamin Cravatt實驗室，Lundbeck La Jolla Research Center的大力支援。
參考資料：
[1] Zhengyuan Pang et al. In situ identification of cellular drug targets in mammalian tissue.Cell(2022) DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.040
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