由布法罗大学研究人员开发的合成阴离子结合剂有一天可以帮助治疗慢性肺病——囊性纤维化。布法罗大学领导的一个研究小组开发出了一些分子，可以帮助疏通囊性纤维化患者肺部浓稠粘稠的粘液。
这种慢性疾病是由蛋白质通道缺陷引起的，该通道阻止氯离子离开细胞，创造清除粘液所需的水环境。研究人员的合成分子通过与离子结合并携带它们穿过细胞膜，提供了某种绕道。
根据《自然化学》发表的一项研究，这种结合使囊性纤维化细胞中对粘液清除至关重要的液体层增加了50%。
“我们发现这些分子可以作为有效的渡轮，将氯化物运输到细胞内，从而将气道表面液体(ASL)的水平恢复到正常细胞的水平，”该研究的主要作者BingKong博士说。布法罗大学艺术与科学学院化学系杰出教授。
“有一天，它们可以被用来开发一种治疗囊性纤维化的药物，这是一种非常痛苦和不愉快的疾病。”
对于近40,000名患有囊性纤维瘤的美国人来说，无法清除粘液会导致呼吸困难和感染风险很高。它是美国最常见的致命遗传病之一。
“当科学发现能够以可能改善患有囊性纤维化等复杂疾病且治疗选择有限的人们的健康和福祉时，这是令人兴奋的，”共同作者、布法罗大学博士毕业生丹尼尔·米勒(DanielMiller)说。现任霍夫斯特拉大学化学助理教授。
帮助氯离子逃逸细胞
在健康的肺部，氯离子通过称为囊性纤维化跨膜电导调节器(CFTR)的管状蛋白质通道离开细胞。一旦离开细胞，氯离子就会吸引水，帮助微小的毛发状纤毛清除呼吸道中的粘液。
在囊性纤维化中，CFTR通道有缺陷或不存在。如果没有氯离子来吸引水，粘液就会变硬，纤毛无法清除它。
龚的实验室此前开发了用于带正电的离子(称为阳离子)的合成粘合剂，但氯离子是带负电的离子或阴离子。
“合成阴离子结合更具挑战性，因为阴离子可以是各种形状——球形、八面体，甚至四面体，”龚说。“可以说，为他们量身定做衣服很难。”
结果证明该溶液是大环化合物，这是一种含有12个或更多原子的环的分子形式。龚团队的无毒大环化合物的特点是星形的刚性主链，可以通过其结合空腔选择性地将阴离子锁定到位。
Zurek和Miller进行的计算化学用于在分子尺度上说明大环化合物及其阴离子结合。模型证实了大环化合物的结构及其结合活性的正电荷。
“我们的计算能够更深入地了解大环相对于氯化物的方向和位置，”米勒说。
研究人员发现，大环化合物不仅是有效的粘合剂，而且本质上还是保镖。
“细胞膜的内部是疏水性的——它不喜欢带正电或带负电的离子——但我们的大环化合物实际上为阴离子提供了疏水屏障，这样它们就可以移动到细胞膜的另一侧，”Gong说。
当将大环化合物应用于从囊性纤维化患者气道中取出的组织时，ASL明显增厚。事实上，用大环化合物处理的细胞的ASL比对照囊性纤维化细胞高50%。
大环化合物确实有一些局限性。其结合腔的固定尺寸阻止它们与小或非常大的阴离子结合。此外，由于所需的高稀释条件，目前只能生产少量。
龚的实验室现在将尝试调整腔体尺寸，并扩大生产规模。
就在几十年前，大多数囊性纤维化患者在成年早期死亡。然而，现在的预期寿命约为56岁，许多患有这种疾病的人都能活到完整的寿命，这在一定程度上要归功于治疗的进步。
其中包括一种名为Trikafta的药物，它可以帮助CFTR通道按其应有的方式排出离子。然而，这种药物价格昂贵，在某些国家甚至没有上市。
“开发囊性纤维化的新疗法仍然是一项至关重要的工作，”龚说。“我们在阴离子和阳离子结合方面的研究不仅适用于囊性纤维化，还适用于由缺陷离子通道引起的许多其他通道疾病。”