超分辨率成像与核磁共振揭示药物在细胞和原子水平的作用

根据发表在《Biophotonics Discovery》上的一项研究，研究人员使用超分辨率显微镜追踪抗癌药物舒尼替尼在活细胞内的运动，发现它会引发线粒体、溶酶体和内质网的协同破坏。另外，固态核磁共振波谱法正被用于确定制剂药物的原子级结构，以应对药物制剂设计中长期存在的挑战。

舒尼替尼用于治疗包括肾癌在内的多种癌症。其治疗活性传统上被认为与其抑制驱动肿瘤生长的酶的能力有关。辛辛那提大学的研究人员将细胞活力检测与结构光照明显微镜相结合，这是一种超分辨率成像技术，可以揭示传统光学显微镜无法清晰观察的微小结构。由于舒尼替尼天然具有荧光特性，研究团队无需对其进行化学修饰即可追踪其在活细胞内的运动。研究人员不仅关注细胞在治疗后的存活情况，还考察了药物如何影响三个相互关联的细胞系统：负责回收细胞物质的溶酶体、产生能量的线粒体，以及帮助合成蛋白质和调节细胞信号传导的内质网。

研究团队首先证实舒尼替尼以剂量依赖方式降低细胞活力，浓度越高，细胞死亡越多。SIM成像显示，药物主要富集在溶酶体内部，定量分析证实其与溶酶体的关联远强于与线粒体的关联。治疗后，健康的线粒体网络逐渐碎裂，细长结构断裂为较短的孤立片段。溶酶体数量减少，而剩余结构变得更大、形态更不规则，表明随着药物浓度升高，溶酶体系统承受的压力不断增大。在未处理细胞中形成贯穿整个细胞的连续网络的内质网，逐渐断裂为互不相连的碎片。内质网连通性的拓扑分析显示，内质网组织呈现明显的浓度依赖性丧失。

这些发现表明，舒尼替尼的作用不仅限于酶抑制。该药物似乎会引发多个细胞系统的协同破坏，最终导致细胞功能丧失和死亡。研究人员没有仅仅依赖生化测量，而是直接观察了治疗分子如何在活细胞中移动，以及细胞结构如何随时间作出反应。该方法结合了光学工程、图像分析和细胞生物学，对细胞器结构和连通性进行定量测量，展示了现代超分辨率成像如何通过揭示传统显微镜无法观察到的相互作用，改变药物行为的研究方式。这项工作在微观层面提供了药物行为的详细视图，凸显了光学成像在药物开发和细胞工程中日益重要的作用。

在另一条独立的研究路线中，爱荷华州立大学和美国能源部埃姆斯国家实验室开发的固态核磁共振波谱方法正在帮助解决"制药行业长期存在的挑战"：成功设计活性药物成分的给药制剂。在一项实验中，一个含有活性成分和非活性成分的微小固体药物样品，在威斯康星大学麦迪逊分校的国家磁共振设施中，以每秒50,000转的速度旋转，同时相对于高磁场倾斜至接近55度的"魔角"。所得光谱中峰的位置为固体药物的结构提供了线索，有助于定位氢、氧和氮原子的位置。固态核磁共振波谱法可用于确定多相催化剂、下一代半导体和固体药物制剂等材料的原子级结构。

核磁共振仪器使用液氮和液氦冷却的超导磁体，使样品承受强磁场。爱荷华州立大学实验室的磁体额定强度为9.4特斯拉，而位于佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室拥有一台价值1870万美元、额定强度为35特斯拉的仪器。核磁共振仪器的磁场使原子核排列整齐；随后射频脉冲使原子核偏离原有排列，仪器记录这些差异。根据美国科学促进会年会小组讨论的摘要，核磁共振工具是"药物设计、可持续能源材料和量子系统现代研究的基石"。

一项由美国国家科学基金会支持、为期三年、耗资49.2万美元的新研究，针对活性药物成分和商业药品的结构，正在开发提高核磁共振数据灵敏度和分辨率的新方法。研究生和本科生将参与该项目，学习制备药物样品、进行核磁共振实验以及计算模拟原子结构。美国国家科学院、工程院和医学院2024年的一份报告得出结论，美国需要恢复对最先进核磁共振研究的支持力度，使美国实验室能够重新在核磁共振研究领域占据领先地位，这意味着需要更多产生超高磁场的仪器，以提高分辨率并改进数据收集。