先进的分子成像技术已经绘制出一种广泛用于治疗真菌感染的药物的结构，但其工作原理却让研究人员和医生困惑了近70年。
在一项新的研究中，伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)、威斯康星大学(University of Wisconsin)、麦迪逊分校(University of Wisconsin, Madison)和美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的研究人员详细描述了两性霉素B (amphotericin B)的原子结构。两性霉素B是一种强大但有毒的抗真菌药物。
伊利诺伊大学的化学教授、Carle Illinois College of Medicine的成员、医学博士Martin D. Burke博士说，看到这种结构为研究人员寻找更低毒性的AmB衍生物提供了启发。伯克与威斯康星州生物化学教授查德·里恩斯特拉(Chad Rienstra)和伊利诺伊州化学研究教授塔拉斯·波戈雷洛夫(Taras pogorelov)共同领导了这项研究。研究人员将他们的发现发表在《自然结构与分子生物学》杂志上。
“这就像我们在黑夜里开车，突然之间我们就能打开灯了。有了这个结构的清晰性，我们可以看到我们需要去哪里来实现我们的低毒性抗真菌药物的目标，”伯克说。
此前，研究人员和医生认为，AmB通过在细胞膜上形成通道杀死真菌细胞，细胞膜是包裹细胞的外层包膜。然而，在2014年，当Rienstra还是伊利诺斯州的教授时，Burke和Rienstra的团队发现两性霉素主要通过掠夺甾醇分子的膜来杀死细胞——人类细胞中的胆固醇和真菌细胞中的麦草甾醇。单个两性霉素分子聚集成一个更大的结构，像海绵一样从细胞膜中吸收甾醇分子，导致细胞死亡。
“离子通道是抗真菌活性的次级作用。这让我们从两性霉素的杀菌活性中分离出离子通道形成功能，”伯克说。他的团队已经将AmB的通道形成能力作为一种“分子修复术”方法应用于治疗囊性纤维化，但对这种杀真菌固醇海绵的更深入了解仍然是未知的。
“我们得到了一些图像，但没有细节，”伊利诺斯州的高级研究科学家、这项新研究的第一作者阿格涅斯卡·莱万多夫斯卡(Agnieszka Lewandowska)说。“现在我们真的可以看到我们认为与胆固醇相互作用的部分结构，这是我们不想看到的。所以我们可以修改它，确保它只与麦角甾醇相互作用，这正是我们想要的。”
由于AmB是一个大的聚集体，通常的分子成像技术如核磁共振难以应用。在这项新的研究中，研究人员开发了新的样品制备方案，并使用了一种先进的分子成像技术，称为魔术角旋转固态核磁共振。他们还使用先进的计算建模方法来可视化由核磁共振数据表示的结构。
其结果是一幅原子细节图，显示了小的AmB分子如何头尾相连地组合在一起，交错进入一个大晶格，留下一个形状和大小都正好适合固醇分子的空洞。在集合中也有一些灵活性，可能允许它稍微弯曲以适应比麦角甾醇略大的胆固醇。
“我们想知道AmB海绵是如何结合在一起以适应麦角甾醇的，”Rienstra说。“就像海绵吸水一样，如果它干了，结了硬皮，它就不能很好地移动，也不能很好地吸收固醇。一旦它变得有点软，它的吸收能力就会更好，因为它有弹性。”
研究人员说，详细的结构验证了早期的工作，也为合成衍生物提供了路线图。
“我们已经在研究AmB与胆固醇和麦角甾醇的复合物的结构。它打开了大门，最终建立或发现这种重要药物的无毒衍生物，并帮助许多人，而没有AmB目前的可怕副作用，”莱万多夫斯卡说。
接下来，研究人员计划继续合作合成衍生物，然后研究它们的原子结构，看看它们如何聚集和与胆固醇和麦角甾醇相互作用，并探索其他小分子的潜力。
“两性霉素的作用与我们所知的其他药物不同。它不会与蛋白质结合;它会自我组装成这种有趣的聚合体，”伯克说。“我们看到了小分子相互作用的全新领域。这种成像技术为我们提供了新的工具来理解小分子之间的相互作用，以及它们如何执行更高阶的蛋白质样功能。我们终于可以合理利用AmB的巨大功能潜力，无论是在抗真菌治疗还是分子义肢上。”