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JACS:去皱纹美容怕用肉毒毒素?简单的“金属疗法”或能为您解忧

2017/06/27 来源:学术经纬
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导读
目前,面对肉毒毒素的中毒,并没有治愈的方法,仅有的治疗方案效果也很有限。不过,美国Scripps研究所(TSRI)的科学家最近偶然发现了一种新的手段,即使在其更为严重的晚期作用阶段也能阻止这一神经毒素。这一重要的成果发表在《美国化学会志》(JACS)上。


本文转载自“学术经纬”

对于大多数人来说,肉毒毒素(Botulinum neurotoxin)最熟悉的名字基于它开发的去皱纹美容产品BOTOX,而不是危险的食源性疾病的原因。相比之下,更少的人听说过肉毒杆菌(Clostridium botulinum),它就是肉毒毒素的产生来源,可导致神经中毒,因此被归类为潜在的生物恐怖主义威胁。当然,在BOTOX的应用中,如果仅仅以微小剂量施于存在皱纹的皮肤局部,肉毒毒素并不会如此可怕。然而,如果扩散到血液循环,就必需采取必要的解毒措施。

目前,面对肉毒毒素的中毒,并没有治愈的方法,仅有的治疗方案效果也很有限。不过,美国Scripps研究所(TSRI)的科学家最近偶然发现了一种新的手段,即使在其更为严重的晚期作用阶段也能阻止这一神经毒素。这一重要的成果发表在《美国化学会志》(JACS)上。

“肉毒杆菌与炭疽病毒、鼠疫杆菌、埃博拉病毒一样属于A类优先病原体,”文章通讯作者Kim Janda教授说道,这里指的是美国疾病控制和预防中心(CDC)公布最应关注的生物清单:“但是至今还没有任何针对性的药物处于1期临床试验。”


▲肉毒毒素作用机理(图片来源:《ACS Chem Biol.》)

肉毒杆菌中毒是一种罕见但严重的疾病,可破坏神经系统向肌肉发出信号的能力,症状包括肌无力、吞咽困难、视力和语言能力下降等。在最为严重的情况中,它可能导致全身麻痹,甚至会因破坏患者呼吸能力而致命。肉毒杆菌中毒主要是通过食物或伤口感染而引入肉毒杆菌。注射非常小剂量的肉毒杆菌毒素可被用于治疗目的,例如缓解痉挛以及去皱纹手术治疗。

为了发现毒素可能的抑制剂,研究者们筛选了三唑类化合物,以测试其针对肉毒毒素轻链的活性(一种破坏神经元将信号传导给肌肉的蛋白水解酶)。三唑是使用点击化学(click chemistry)合成的,这是由诺贝尔化学奖得主、Scripps研究所的K. Barry Sharpless教授在20世纪90年代中期开发的一种方法。研究者最终锁定了Sharpless实验室提供的一种三唑化合物,它似乎强有力地抑制了肉毒毒素轻链的酶活力。


▲肉毒杆菌(图片来源:microbe-canvas)

然而,进一步测试却让人大跌眼镜。“我们发现被认为具有活性的点击化学合成物,实际上只是因为铜元素而表现出活性,”文章第一作者Paul T. Bremer先生说。铜在这里被用作催化剂来完成点击化学反应,这些痕量物质通常不被认为会在生物学测定中表现出活性。“在进一步的实验中,铜离子被发现能非常有效地非竞争性抑制酶活性,这是一个十足的惊喜,”他解释道。

就这样,科学家们意外地发现可能阻断血清型A肉毒毒素的新方法,那就是一价和二价铜离子。之后,他们又测试了其他金属离子的抑制能力,发现二价汞离子的活性更高,是铜离子的近10倍。不过,由于汞离子本身对神经元有毒,因此不适合于被开发为疗法。结构分析显示,肉毒毒素轻链上的Cys165正是与抑制性金属离子作用的位点。

从治疗的角度,接下来需要做的就是设计合适的载体,将铜离子递送至神经元细胞内,这是让铜离子在生物学系统中发挥作用的关键步骤。结果显示,二价铜离子与二硫代氨基甲酸盐(dithiocarbamate)和缩氨硫脲(thiosemicarbazone)形成的络合物具有良好的递送和作用效果,显著延长了被给予致死剂量毒素的试验小鼠的生命。体外细胞实验显示,该络合物在进入胞内后,会发生还原反应而释放出铜离子,只需以极低uM级的浓度便能阻止肉毒毒素轻链水解其细胞内的底物蛋白SNAP-25。


▲铜络合物的解毒机理(图片来源:《美国化学会志》)

研究人员表示,目前还需要进一步的动物实验来确定最佳剂量和给药频率等参数。由于肉毒毒素会带来生命危险,因此无法直接在人体上进行临床试验。然而,这种铜络合物的安全性可以通过以不同目的的其他临床试验得到验证。

如果被证实安全,上述铜疗法将比现有的解毒方法更有效。目前,患者接受抗毒素药物,以使其循环系统中的毒素失活,从而防止进一步的中毒。然而,抗毒素不能逆转已经发生的局部肌肉麻痹,因为无法作用于已进入细胞内的毒素。因此,这样的恢复进程可能会很慢,症状需要数周或数月才能消失。

“抗毒素是基于抗体的,这意味着它只能在细胞外运作,”Kim Janda教授说:“这种新疗法可以容易在细胞内作用,在那里直接靶向导致麻痹的蛋白酶。”


▲文章通讯作者Kim Janda教授(图片来源:Scripps研究所)

研究人员还指出,该研究进一步证明了探索“金属疗法”的必要性。由于对毒性和非特异性作用的担忧,金属不常用于药物设计。然而,几种基于金属的疗法已经存在。例如,金元素被用于治疗某些癌症和类风湿性关节炎,此外其他一些金属疗法目前正在进行临床试验。

“这是一类被人们低估的疗法,”Paul T. Bremer先生说:“我们的工作显示了进一步探索其潜力的必要性。”

参考资料:

[1] Metal Ions Effectively Ablate the Action of Botulinum Neurotoxin A

[2] TSRI scientists find simple copper complex shuts down botulinum neurotoxin poisoning

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