用光打开和关闭药物

PaulScherrerInstitutePSI的科学家使用瑞士X射线自由电子激光器SwissFEL和瑞士光源SLS制作了一种薄膜，该薄膜可以对新型药物的开发起到决定性的推动作用。

他们在所谓的光药理学领域取得了进展，这是一门开发活性物质的学科，这些活性物质可以在光的帮助下被特异性激活或停用。该研究于2月17日发表在《自然通讯》杂志上。

光药理学是一个新的医学领域，预计会有一个美好的未来。它可以比以前更有效地帮助治疗癌症等疾病。光药理学药物配有分子光开关。这种物质被光脉冲激活，但只有在它到达它要起作用的身体区域后才会激活。在它完成工作后，它可以被另一个光脉冲再次关闭。

这可以限制潜在的副作用并减少耐药性的发展——例如，对抗生素的耐药性。

光控药物

为了使传统药物对光敏感，它们内置了一个开关。在他们的研究中，由主要作者MaximilianWranik和JörgStandfuss领导的科学家们使用了活性分子combretastatinA-4，该分子目前正在临床试验中作为抗癌药物进行测试。它与一种叫做微管蛋白的蛋白质结合，微管蛋白形成构成体内细胞基本结构的微管，并驱动细胞分裂。CombretastatinA-4，或简称“CA4”，使这些微管不稳定，从而抑制癌细胞不受控制的分裂，即减缓肿瘤的生长。

偶氮-CA4配体的差分电子密度随时间的演变。影片显示了暗(灰色)和时间分辨(蓝色微管蛋白，橙色azoCA4)结构的叠加，并绘制了电子差密度图(Fobs(亮)-Fobs(暗)，红色为负，绿色为正)。对于大多数时间延迟，等高线水平设置为3σ。为了更好地比较，它显示了更高水平的同步加速器实验的~100毫秒时间延迟，我们实现了更高的激活水平。图片来源：NatureCommunications(2023)。DOI:10.1038/s41467-023-36481-5

在经过修饰的CA4分子中，添加了一个由两个氮原子组成的桥，这使其具有特别的光活性。在非活性状态下，所谓的偶氮桥会拉伸它所连接的分子成分，形成一条细长的链。光脉冲使键弯曲，使链条的末端靠得更近——就像肌肉收缩使关节弯曲一样。

至关重要的是，在其细长形式下，该分子不适合微管蛋白的结合袋——蛋白质表面的凹陷处，分子可以停靠在该处以发挥其作用。然而，当分子弯曲时，它会完美契合——就像锁中的钥匙一样。像这样的分子，适合相应的结合口袋，也称为配体。

拍摄一种可能的抗癌药物

最新研究表明，所涉及的过程远远超出了简单的锁和钥匙原则。“与教科书上所说的相反，钥匙和锁的行为都是动态的;它们不断改变自己的形状，”马克西米利安·拉尼克(MaximilianWranik)说。“整个蛋白质都不是静态的。”

影片说明了azo-CA4释放的主要步骤。这部电影是根据九个分子快照之间的变形制作的，突出显示了azo-CA4(照明前后分别为黄色和橙色棒)异构化、松弛、释放以及由此导致的秋水仙碱结合位点(α-微管蛋白)坍塌的影响在蓝色和β-微管蛋白在青色和βT7循环在绿色，卡通或表面表示，选定的残基显示在棒表示)。图片来源：NatureCommunications(2023)。DOI:10.1038/s41467-023-36481-5

通常，结合袋只打开一半，配体会短暂地停留在其中，然后在完成工作之前再次释放。或者，您可以进行所谓的“诱导贴合”，其中一些形状不正确的东西是“合身的”。配体改变口袋的形状，使其可以正确地固定在适当的位置并留在那里。

科学家们现在已经在结合位点拍摄了配体，因为它在关闭后从弯曲配置变为直线形状，显示了在配体自身分离之前口袋如何适应这种新配置。装订袋然后塌陷，并在一段时间后重新形成。显而易见的是，配体越适合，它与该位点结合的时间就越长。

无论如何，对这些首次公开的过程进行更透彻的了解，将有可能设计出更适合的新活性物质，从而可以确定药物的结合时间和有效性。改善。

结构确定的新水平

所涉及的过程发生在原子级别，并在几毫秒内完成。为了观察它们，研究人员动用了PSI的高精度大型研究设施，其组合在世界上任何地方都是无与伦比的：瑞士光源SLS和瑞士X射线自由电子激光器SwissFEL不仅可以记录在极小的时间尺度和微小的尺寸上制作单个图像，但可以将整个图像序列组合起来制作电影。

“我们在活性分子关闭后的1纳秒到100毫秒之间拍了九张快照，”项目负责人JörgStandfuss说。光生物学相关过程发生在这一时期。

除其他外，他的团队使用SLS分析所涉及分子的结构，直至原子水平，并使用SwissFEL将过程测量到100飞秒或万亿分之一秒以内。Standfuss强调说：“如果没有SwissFEL和SLS专家的大力支持和协作，这样一个独特的项目是不可能实现的。”

拍摄针对痛风或COVID-19的活性物质

在工作中拍摄光活性物质的可能性也为收集医学领域的许多其他重要见解提供了机会。“当然，我们还想跟踪活性物质开启时的确切事件顺序，”Standfuss说。“不过，这有点复杂——所以我们要到下一阶段才会解决这个问题。”

除此之外，该研究只关注微管蛋白中许多已知结合袋中的一个。即使是这个也不能简单地作为抗癌药物的停靠点。用于治疗痛风和其他炎症性风湿病的秋水仙碱，以及仍在开发中的新型COVID19药物sabizabulin，也与同一个口袋结合。因此，新方法可用于观察其他药物或其他结合位点。

Standfuss说，希望这种方法将有助于临床研究针对多种疾病提出更有效的疗法。“在我们大型研究设施的帮助下，我们希望在确定活性物质的结构时将时间作为一个新的维度，使我们能够理解它们并进一步优化它们。”