综述：基于结构的适体筛选与优化策略：进展与展望

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Structure-Guided Strategies for Aptamer Screening and Optimization: Advances and Perspectives

Aptamers通过特异性三维结构实现高效识别，传统筛选优化效率低。本文系统梳理结构表征与预测技术，强调AI驱动的结构分析显著提升筛选效率，提出结构导向策略（如茎环调节、环状设计）优化亲和力与稳定性，推动从随机筛选向理性设计转型，为跨领域应用奠定基础。

　　

赵连辉|王萍|曲天明|季庆龙|赵小梅|赵永生|陈颖

中国质量检验检疫研究院，北京，100176，中国

摘要

适配体是一种单链核酸，通过序列特异性折叠形成独特的三维结构，由于其易于合成、批次一致性和长期稳定性等固有优势，已成为各种应用中极具前景的识别元件。然而，传统的适配体筛选和优化方法耗时且复杂，导致成功率较低。适配体的结构构象对其结合亲和力、选择性和热稳定性具有决定性影响。最近的进展将结构信息整合到理性设计框架中，以加速筛选过程并减少经验优化步骤。本文系统总结了当前的结构表征和预测技术，并对基于结构的适配体筛选和优化策略进行了批判性分析。最后，我们认为人工智能和多技术整合驱动的结构表征、预测、筛选和优化将彻底改变适配体的开发方式。这些创新有望弥合实验室性能与实际应用之间的差距。

引言

适配体是一种短的单链寡核苷酸，可作为新型分子识别元件。1990年，Ellington和Szostak以及Tuerk和Gold分别独立发现了适配体[1],[2]，它们通过一种称为“指数富集法（SELEX）”的体外选择过程从合成核酸文库中生成[3],[4],[5],[6]。这些功能性核酸分子可以折叠成多种三级结构，包括发夹结构、凸起结构、三链结构和G四链结构，从而实现对目标的高结合特异性和亲和力[7],[8],[9]。适配体与其目标之间的结合相互作用由非共价力介导，包括氢键、静电相互作用、疏水相互作用、π-π堆叠和范德华力[10],[11],[12],[13]。由于适配体具有易于合成和修饰、批次间一致性高以及生产成本低等优点，已经筛选出了许多针对不同目标的适配体。这些适配体正越来越多地与先进纳米材料和生物技术结合，应用于分析检测、细菌消除、疾病诊断和治疗干预等领域[14],[15],[16],[17]。尽管适配体展现了巨大潜力，但由于在多种应用场景下的结合性能不尽如人意，其广泛应用仍受到限制。在过去三十年中开发的众多适配体中，只有少数在实践中被证明有效。一个典型的成功例子是avacincaptad pegol（Izervay），它于2023年成为第二款获得FDA批准的适配体药物，用于治疗与年龄相关性黄斑变性相关的地理性萎缩[18]。为了扩大适配体在不同领域的实际应用范围，开发具有持续高结合亲和力和选择性的适配体仍然是当务之急[19]。

近期有许多综述探讨了适配体的开发策略，包括筛选、优化和结构建模。例如，Zhu等人强调了SELEX方法的进步，包括新型载体材料、技术改进、使用真实样本进行筛选以及SELEX后的优化等方法。Chen等人重点研究了功能性核酸（包括适配体和其他成员），系统总结了它们的八种多功能特性，以及五种传统的改造策略，如删除、替换、分裂、融合和延长。他们还创新性地提出了一种高含量改造策略，并概述了其在不同领域的应用[21]。Gao等人详细介绍了四种常见的适配体优化技术：截短、化学修饰、双价或多价适配体构建和突变[22]。Ahmad等人总结了用于建模适配体结构、进行对接分析和指导序列优化的生物信息学工具的现状[23]。此外，Sun等人讨论了将机器学习和深度学习技术应用于适配体识别和优化的最新进展[24]。虽然这些综述综合了适配体开发的各个方面，但专门从结构角度探讨适配体筛选和优化的综合性综述仍然不足。

适配体的生物学功能从根本上取决于其折叠成独特三维结构的能力[25],[26]。将结构设计原理整合到适配体筛选和优化过程中，可以显著提高发现效率以及所选适配体的实际应用价值。本文首先介绍了当前的结构表征和预测技术，特别强调了人工智能（AI）驱动的结构预测算法的变革性影响，这些算法以前所未有的速度和精度准确预测了复杂的适配体结构。然后，我们总结了基于结构的适配体筛选和优化策略的进展。如图1所示，有针对性地引入功能结构基序有助于生成高性能适配体，而基于结构分析的AI驱动的适配体筛选技术显著提高了计算机模拟（in silico）筛选效率。基于结构的适配体优化策略包括调节茎环结构、截短、末端稳定化、环化和特定结构设计，进一步改善了适配体的亲和力、稳定性等特性。基于结构的策略的核心价值在于将适配体开发从“随机发现”范式转变为“理性设计”范式。通过有目的地引入功能结构基序并利用结构信息进行筛选和优化，可以大幅提高适配体开发的效率和成功率。据我们所知，本文是第一篇全面涵盖适配体结构表征、预测和基于结构策略的筛选与优化的综述。我们的目的是鼓励研究人员更加重视适配体结构，将其作为发现高性能适配体的关键途径，以确保其成功应用。

小节摘录

适配体结构表征和预测

如图2A所示，适配体具有不同的核苷酸比例或链长，通过碱基互补配对形成不同的二级结构。这些二级结构作为基础框架，进一步通过氢键、疏水相互作用或范德华力折叠成具有不同拓扑结构、电荷分布和灵活性的三级结构。结构的差异直接决定了其核心功能特性，如结合能力

基于结构的适配体筛选策略

尽管SELEX技术已经发展了近40年，但据报道其成功率仅为30%[82]。适配体筛选的主要挑战之一是传统随机文库中无效或热力学不稳定的结构基序比例较高，这些基序通常难以折叠成高质量适配体所需的特定高亲和力构象。通过策略性地引入具有内在功能的结构基序

基于结构的适配体优化策略

基于结构的适配体优化策略侧重于利用适配体的结构信息来提升其性能。优化策略包括调节茎环结构、截短、末端稳定化、环化和特定结构设计。通过精确调整适配体的结构，可以持续提高其结合能力和稳定性。

结论与展望

作为一类具有目标特异性结合能力的寡核苷酸分子，适配体在多个领域展示了巨大的发展潜力，得益于其固有的优势。然而，与抗体相比，适配体仍是一类新兴的识别元件，需要进一步改进才能实现更广泛的应用。一个关键瓶颈在于，目前只有少数适配体具备所需的亲和力

CRediT作者贡献声明

曲天明：撰写——审稿与编辑。王萍：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、研究调查、资金获取。赵小梅：撰写——审稿与编辑。赵永生：撰写——审稿与编辑。赵连辉：撰写——审稿与编辑、撰写初稿、研究调查。陈颖：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、研究调查、资金获取、概念构思。季庆龙：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：陈颖报告称获得了国家自然科学基金的财政支持。王萍报告称获得了中华人民共和国科技部的财政支持。王萍还报告获得了国家市场监督管理总局的财政支持。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U22A20541）、国家重点研发计划（项目编号：2022YFF1100704）、国家市场监督管理总局科技创新人才计划（项目编号：QNBJ202327）以及中国检验检疫科学院公共研究机构（项目编号：2024JK012）的支持。