光药理学：细胞骨架的光控

诸平

据德国路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学（ Ludwig-Maximilians-Universität München，LMU）2020年11月6日提供的消息，LMU的研究人员与荷兰乌得勒支大学（Utrecht University）以及美国哥伦比亚大学医学中心（Columbia University Medical Center）和纽约大学（New York University）的研究人员合作，已经开发出抗癌药物紫杉醇（Taxol^®）的光敏衍生物，该衍生物可对神经元中的细胞骨架动力学进行基于光的控制。这些药物可以光学模式使细胞分裂，并可以阐明紫杉醇的作用。相关研究结果于2020年9月15日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Adrian Müller-Deku, Joyce C. M. Meiring, Kristina Loy, Yvonne Kraus, Constanze Heise, Rebekkah Bingham, Klara I. Jansen, Xiaoyi Qu, Francesca Bartolini, Lukas C. Kapitein, Anna Akhmanova, Julia Ahlfeld, Dirk Trauner, Oliver Thorn-Seshold. Photoswitchable paclitaxel-based microtubule stabilisers allow optical control over the microtubule cytoskeleton. Nature Communications, 2020; 11, Article number: 4640. DOI: 10.1038/s41467-020-18389-6

高等生物的细胞依赖于三个可动态重构的蛋白质丝系统(统称为细胞骨架)，它们在包括运动和方向性在内的所有基本细胞过程中都起着至关重要的作用。这些系统之一由称为微管的大量中空聚合物管组成，而微管又由称为微管蛋白（tubulins）的球状亚基组成。微管充当细胞内线粒体（mitochondria）、, 神经递质（neurotransmitters）和其他生化物质（other biochemical cargos）运输的高速公路，协调的微管组件形成纺锤体（spindle apparatus），该纺锤体负责在细胞有丝分裂（mitosis）期间将染色体有序地分离到子细胞（daughter cells）。因此，与微管特异性结合并使其稳定或不稳定的化合物，为细胞物质运输、有丝分裂调控和胚胎发育模式的研究提供了重要的工具。这类化合物还可以用作抑制肿瘤细胞增殖的强效抗癌药物，如紫杉醇（Taxol）、长春花生物碱（vinca alkaloids）、埃博霉素（epothilones）、奥利斯他汀 (auristatins)和海兔毒素（dolastatins）等这些已用于治疗全球数百万癌症患者的药物。

LMU药剂系的奥利弗·索恩-塞肖德(Oliver Thorn-Seshold)说：“将这些药物用作研究工具的问题在于它们不够精确，无法告诉我们我们需要知道的信息。” 生物学在亚细胞水平上受到调节，并具有极高的时间准确性，但是这些药物作用于它们到达的所有细胞，并且不可能随时间调节其动力学。现在，奥利弗·索恩-塞肖德和他的同事们解决了这个问题。他与纽约大学的德克·特劳纳（Dirk Trauner）和乌得勒支大学的安娜·亚科马诺娃（Anna Akhmanova）合作，开发出了这些药物的光响应类似物，可以在特定时间将其激活。这使得人们可以更精确地控制它们与微管的相互作用。奥利弗·索恩-塞肖德解释说：“这些对光有反应的试剂使我们能够进行一系列功能强大的高精度生物学研究。”研究人员已经使用它们的光敏化合物来光学控制细胞分裂、细胞存活、细胞骨架结构和重塑速率，直至单个细胞的水平，甚至神经元的亚细胞区域。

通过开发最强大和临床上最重要的抗癌药物之一紫杉醇（紫杉烷类药物，可稳定微管）的光响应类似物，研究小组希望也能影响应用研究。这些高精度的光响应紫杉烷类化合物可用于解释临床药物如何发挥其所需的抗肿瘤活性和不良副作用，这些副作用主要是由神经元损伤引起的。奥利弗·索恩-塞肖德说: “由于我们的光敏类似物在神经元中也具有强大的活性，但是可以将其独特地应用于给定样品中的选定神经元以进行严格控制的研究，因此我们相信我们的化合物将使我们更好地理解这些副作用的产生方式。”

自2013年以来，新化合物是奥利弗·索恩-塞肖德博士和德克•特劳纳教授开发的一组高精度，光响应性细胞骨架研究试剂中的最新化合物。紫杉醇是一种难以加工改造的分子，因为只有少数修饰是容易进行的。大多数修饰可能需要数月或数年时间的努力才能合成，甚至无法测试单个化合物。奥利弗·索恩-塞肖德解释说：“紫杉烷也是非常难溶于水的化合物，这使得它们很难可靠地应用于细胞或动物；我们努力调整化合物的极性和溶解度，但仍无法解释我们观察到的模式。”然而，研究人员相信这种新的试剂方法会带来显著的好处。“在生物和治疗效果上，例如我们之前开发的那些微管失稳剂与我们现在创造的稳定剂有着重要的区别。”通过将微管稳定高精度控制, 奥利弗·索恩-塞肖德和他的同事们相信这些新试剂将会为细胞生物学研究打放全新的视角，微管暂时的或亚细胞的特殊作用确定引发的生物效应,物质运输、细胞迁移、有丝分裂, 尤其是在经元发育或轴突再生过程中的神经生物学。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Small molecule inhibitors are prime reagents for studies in microtubule cytoskeleton research, being applicable across a range of biological models and not requiring genetic engineering. However, traditional chemical inhibitors cannot be experimentally applied with spatiotemporal precision suiting the length and time scales inherent to microtubule-dependent cellular processes. We have synthesised photoswitchable paclitaxel-based microtubule stabilisers, whose binding is induced by photoisomerisation to their metastable state. Photoisomerising these reagents in living cells allows optical control over microtubule network integrity and dynamics, cell division and survival, with biological response on the timescale of seconds and spatial precision to the level of individual cells within a population. In primary neurons, they enable regulation of microtubule dynamics resolved to subcellular regions within individual neurites. These azobenzene-based microtubule stabilisers thus enable non-invasive, spatiotemporally precise modulation of the microtubule cytoskeleton in living cells, and promise new possibilities for studying intracellular transport, cell motility, and neuronal physiology.