小分子的目标识别和验证一直是化学生物学和药物发现的长期挑战。尽管在分子层面探测药物-靶标相互作用取得了显着进展，但这些方法通常不太适用于体内组织。传统的药代动力学和药效学在评价器官中的药物浓度或药物-靶标相互作用时，通常忽略了对于理解体内靶标参与至关重要的空间分辨率。
4月27日，美国斯克里普斯研究所的Li Ye（叶立）团队在国际顶尖杂志《Cell》上发表了题为“In situ identification of cellular drug targets in mammalian tissue”的报道。研究人员首次在生物体内实现了单细胞分辨率的小分子药物成像，并将该方法命名为透明辅助组织点击化学（Clearing-Assisted Tissue Click Chemistry，简称CATCH）：它将荧光标签附着在药物分子上，并使用化学技术来改善荧光信号，进而可在亚细胞分辨率对靶药物分子进行特异性和稳健的原位荧光成像，并能够鉴定靶细胞类型。
正电子发射断层扫描(PET)，被广泛用于分析体内小分子分布，但缺乏足够的分辨率来区分细胞水平的药物结合状态以精确识别药物-靶标相互作用。一种理想的方法应该允许以单细胞分辨率原位可视化靶标结合药物，同时与其药物-靶标相互作用的多重分子表征兼容。这些目标对于靶向中枢神经系统(CNS)的药物尤为重要，因为中枢神经系统在细胞组成和空间组织方面存在显着异质性。
荧光光学显微镜彻底改变了蛋白质和核酸等内源性生物分子的高分辨率原位成像。然而，外源性小分子更难以成像，因为附加荧光标签会改变母体化合物的大小和化学性质，可能会扭曲药物分布以及靶向和脱靶接合。双正交反应，包括铜Cu（I）催化的叠氮炔环加成（CuAAC）反应，可以部分解决这些问题。当双正交反应与化学蛋白质组学方法相结合，虽然可有效识别各种生物环境（包括动物模型）中的药物靶标，但此类方法尚未实现体内药物-靶相互作用的高分辨率空间成像。
在这项研究中，研究者开发了一种方法CATCH，允许在哺乳动物组织中以亚细胞分辨率原位标记和成像小分子药物-靶相互作用。结果表明CATCH是一种前所未有的细胞和分子分辨率可视化体内药物作用的强大方法。
CATCH能够在原位对药物进行特定标记和成像
经过炔基修饰的脂肪酸酰胺水解酶（fatty acid amide hydrolase, FAAH）抑制剂PF7845-yne可以与FAAH形成稳定的共价键，研究者在小鼠脑切片中直接成像观察FAAH结合PF7854-yne的情况。然而，成像信噪比（Signal-to-noise ratio, SNR）极差，无法获得有效信号。但是，药理学和遗传学结果表明，CATCH可以在药物治疗的小鼠组织中以高特异性可视化靶标接合。此外，药物结合可以在大组织中可视化，用于3D表征。
CATCH揭示全脑药物-靶点相互作用并检测罕见靶点
在验证了CATCH检测PF7845-yne和FAAH之间相互作用的能力后，研究者进一步通过研究另外两种共价药物靶标组合评估了CATCH更广泛的效用：结构上不同的FAAH抑制剂BIA-10-2474和单胺氧化酶（monoamine oxidase, MAO）抑制剂pargyline。与PF7845类似，BIA10-2474具有尿素骨架并通过与其活性丝氨酸残基的亲核取代反应抑制FAAH。相反，pargyline通过氧化加成反应形成共价加合物来抑制MAO。两种药物的炔烃类似物已在先前的研究中开发出来。
CATCH成像显示，在体内给药PF7845-yne和BIA10-2474-yne后，出现了类似的标记模式，其特征是在新皮质、丘脑和海马中有强信号。相比之下，pargyline-yne给药后，下丘脑、脑桥和侧脑室的标记明显增多。CuAAC反应后，CATCH对FAAH的免疫染色证实PF7845-yne和BIA10-2474-yne信号主要与FAAH相关。在pargyline-yne处理的动物中没有观察到这种相关性。相反，MAO-A染色显示与PF7845-yne无相关性，但与pargyline-yne有更好的相关性。高分辨率成像显示，FAAH抑制剂主要针对新皮质和海马的神经元样结构。相反，pargyline-yne主要与整个大脑中的脉管样结构结合，但下丘脑和脑桥中神经元样结构的稀疏但特异性标记除外。BIA10-2474-yne与脑桥网状被膜核（RtTg）中的脱靶位点结合，证明了CATCH能够以细胞分辨率发现药物靶点。
CATCH可与荧光标记合用以识别靶细胞类型
了解体内受药物治疗影响的细胞类型对于准确解释药理作用机制至关重要，尤其是针对具有多种神经底物和细胞类型的中枢神经系统的药物。在确定CATCH可以以单细胞分辨率可视化药物靶标后，研究者进一步探究了它是否可以与细胞身份的分子标记结合来表征和记录细胞靶标身份。
通过对Pan-神经元标志物NeuN进行免疫染色，发现PF7845-yne和BIA10-2474-yne主要与新皮质、海马和杏仁核中的NeuN+神经元相关，而pargyline-yne与凝集素和血管相关。CATCH的分辨能力能够检测到pargyline-yne靶向的少量但明亮的NeuN+下丘脑神经元群。进一步的细胞类型表征表明，在皮质中，PF7845-yne与Ctip2+投射神经元结合，但不与星形胶质细胞或抑制性神经元结合。同时，在下丘脑中，pargyline-yne靶向一小部分对小白蛋白或生长抑素呈阴性的VGAT+抑制性神经元。此外，还检测到了NeuN阴性、pargyline-yne阳性的LC-NA神经元，证明CATCH可以支持连续轮次的药物靶向细胞类型鉴定。
CATCH可以在亚细胞分辨率下揭示药物结合
单酰基甘油脂肪酶（MAGL）是一种参与终止内源性大麻素2-archidonoylglycerol（2-AG）信号功能的关键酶。MAGL抑制剂MJN110是一种特性良好的炔烃类似物。研究者通过使用MJN110和MAGL-/-小鼠证实了CATCH产生的特异性MJN110-yne信号。
研究结果表明20 mg/kg MJN110-yne处理后的海马体整体荧光强度更高。高分辨率成像结合突触蛋白和微管相关蛋白2（MAP2）免疫染色显示，MJN110-yne信号在低剂量（1 mg/kg）时仅限于突触蛋白阳性轴突终末，并在高剂量（20 mg/kg）时扩散到神经元胞体。PF7845的预处理显著抑制了胞体中MJN110-yne结合，但不抑制轴突终末，这表明这些信号分别来自非靶向FAAH结合和靶向MAGL结合。PF7845预处理后观察到的残余胞体荧光可能反映了MJN110-yne与另一种2-AG水解酶的结合。已知其与MJN110交叉反应，也定位于神经元胞体。因此，这些数据表明CATCH可以以亚细胞分辨率显示药物与不同蛋白质靶点的结合。
CATCH可以测量剂量依赖性的药物靶点参与度
对于任何药物，炔烃修饰可能会改变其药代动力学(PK)特性，例如药物分布和半衰期。因此，研究者设计了一种反向标记方法来检查CATCH探针的分布，以可视化体内药物-靶标相互作用的剂量依赖性。在这种竞争性CATCH方法中，动物首先接受一定剂量范围的亲本药物治疗，然后是单次高剂量的炔烃探针。可以基于以解剖学特异性方式对信号的竞争性阻断来记录亲本药物的剂量依赖性靶标参与。
首先用0.01-1 mg/kg PF7845处理小鼠，然后用1 mg/kg PF7845-yne探针通过竞争性CATCH读出PF7845的剂量依赖性脑靶标。结果表明CATCH在0.01 mg/kg时未检测到整个大脑的靶标结合，而在0.05 mg/kg或更高时实现了完全的FAAH抑制。总的来说，通过补充竞争性和直接标记策略，CATCH可以揭示剂量依赖性的、定量的跨异质大脑区域的靶点参与，这些区域不容易通过传统的基于裂解物的方法获得。
CATCH作为一种前所未有的新方法，可以在完整组织中以亚细胞分辨率可视化体内共价药物-靶标相互作用。从体内CATCH中鉴定的靶细胞类型可以指导相关细胞系的选择，以进行体外化合物优化；相反，CATCH可用于筛选容易在大脑区域或与不良副作用相关的细胞类型中富集的先导化合物。此外，CATCH还可以补充和增强从其他生化和成像方法收集到的信息，从而可以协调测量、解释和优化目标分布和参与。但是，该研究也还具有一定的局限性：（1）CATCH现阶段其主要应用于“共价抑制剂”，即药物基团能与靶点形成共价键，针对“非共价抑制剂”，还有待进一步探究；（2）CATCH目前还不能直接应用于全脑或全身成像，研究者们正在试图逐步扩大成像体积，最终希望能在完整小鼠内进行单细胞分辨率的药物成像。
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