冷冻电镜技术正在基于结构的新药研发中发挥重要作用

冷冻电镜是一项是用于电子显微镜的超低温冷冻制样及传输技术（Cryo－SEM），可以通过电子束形成的高分辨率图像，直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品。通过冷冻电镜图像，研究人员可以了解生物大分子的结构及其在不同生理过程下的变化，从而理解生命现象的基本规律。基于此，研究人员可以有针对性地调制某些与特定疾病、生理过程直接相关的分子，或者通过小分子药物、蛋白质药物，造成分子功能变化，从而实现治疗或者防治疾病的目的。

水木未来联合创始人王宏伟教授告诉动脉网，冷冻电镜技术最早兴起于上世纪70～80年代。

1980年，Jacques Dubochet课题组发明了一种将生物分子的水溶液速冻至液氮温度的方法，解决了冷冻电镜的制样问题。随后，Joachim Frank课题组于1985年前后初步建立对处于分散状态的生物大分子复合体电子显微镜照片使用基于统计学的数据处理方式进行结构解析的方法论，从而奠定冷冻电镜单颗粒三维重构的基本原理。此外，Richard Henderson课题组于1990年解析了菌紫红质膜蛋白的原子分辨率结构，成为第一个冷冻电镜解析的原子分辨率结构。

发展至今，冷冻电镜已经是一项相对成熟的结构生物学分析方法。2017年，Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson三位科学家由于在冷冻电镜解析溶液中生物大分子高分辨率结构方法学开发方面做出的开创性贡献，获得了当年的诺贝尔化学奖。

据一篇由欧美科学家发布在Nature Reviews Drug Discovery杂志的文章介绍，X－ray晶体衍射、核磁共振（NMR）和冷冻电镜共同构成了当今结构生物学的三大主要分析手段。

将冷冻电镜结构解析结合计算化学应用于药物研发，有效弥补了传统药物研发方式下，靶点结构未知、随机性强、研发周期长、成本高的缺点，将基于结构的药物发现（SBDD）推上了又一高度。近年来，陆续有药企布局基于冷冻电镜的药物研发新方式。

例如，基因泰克在组建内部的冷冻电镜团队；辉瑞斥资500万英镑使用新款的冷冻电镜；诺华通过与Friedrich Miescher研究所的合作也构建了自己的冷冻电镜中心。而一些规模较小的药企，或生物科技公司则组建了共同使用冷冻电镜工具的联盟，如英国剑桥医药冷冻电镜联盟由5家药企共同出资超过300万英镑，于2016年正式启动。

尽管到目前为止，国内外研究人员都还没有基于冷冻电镜技术找出革命性的新药结构，这种新方法下的药物研发已经取得了可观的进展。例如，诺华生物医药研究所（NIBR）的蛋白质科学负责人Christian Wiesmann曾表示，其团队利用冷冻电镜技术获得了一款蛋白与一种小分子结合时的结构，这能指导药物化学的开发。

全新结构生物学方法下的新药开发一站式解决方案

王宏伟教授表示，目前，冷冻电镜应用于新药开发尚存在两方面技术瓶颈。

第一，样品制备。制备样品首先需要根据明确的靶点信息确定具有进一步研究潜力的蛋白质分子，进而通过专用的大型设备将蛋白质分子溶液冷冻到液氮温度之下，并确保其大分子空间结构不被破坏。

第二，虚拟药物筛选。王宏伟教授指出，现阶段，利用计算化学进行虚拟药物分子筛选的整体技术还不够成熟，难以独立支撑早期的新药研发，“不过，随着经验、案例积累和算法迭代，引入了人工智能技术的计算化学方法将在新药研发中发挥更重要的作用。”

经过近三年发展，水木未来具备了国际领先的基于冷冻电镜的结构解析能力，在冷冻样品制备、冷冻电镜数据收集和结构计算方面具有很大优势。目前，水木未来拥有完善的 300kV 顶配冷冻电镜及其相关硬件配套，以清华大学生命科学院院长王宏伟教授领衔的结构生物学专家团队作为强大的技术支撑。

作为国内乃至全球的冷冻电镜研究高地，清华大学在2015年前后建成了世界上最大的冷冻电镜设施平台，抢占了这项技术快速发展先机。实际上，清华大学从事冷冻电镜技术研究和开发超过10年，为中国结构生物学的发展提供了强有力的支持，应用清华的冷冻电镜平台做出的重要科研成果居于世界前列，清华结构生物学的国际影响力达到历史新高。

王宏伟教授告诉动脉网，水木未来正在建立基于冷冻电镜进行结构解析的强大的商业服务能力，已经有实力提供基于冷冻电镜和计算化学进行药物研发的完善的解决方案和方案的实施能力，将为全球药厂在药物临床前研发领域提供完善的服务，为Me－too／Me－better药物发现、全新结构（First－in－class）类药物的设计、病毒疫苗和药物研发等提供研发加速服务，“未来，我们争取可以从事药物研发，找到具有重大医学意义的药物靶点。”

作为水木清华的联合创始人和科学委员会主席，王宏伟教授从博士期间开始，从事冷冻电子显微学研究多年，致力于冷冻电镜相关方法学开发，曾获得国家杰出青年基金和谈家桢生命科学创新奖。公司联合创始人兼CEO郭春龙先生是清华大学工程物理学士，曾就读于伯克利加州大学电子工程与计算机科学专业和哈斯商学院。郭春龙先生是连续创业者，曾参与创立百合网／嘿友网、2048资本。

此外，水木未来建立了覆盖药物计算化学、 蛋白晶体学、 免疫学等相关药物研发领域的科学顾问团队。例如，水木未来通过与北京生命科学园的计算生物学专家稳定合作，构建起强大的药物筛选能力。

动脉网将持续关注水木未来的后续进展。