和频振动光谱研究药物分子与细胞膜模型体系相互作用的分子基础

A molecular-level understanding of the interactions between drug molecules and cell membranes is very important for drug development and the acquisition of the knowledge on the drug's action mode. This project will employ sum frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy and other related techniques (such as attentuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) and confocal laser scanning microscopy) to study how the selected water soluble and water insoluble drugs interact with the phospholipid membranes from a dynamic viewpoint. SFG has a great advantage of being able to monitor the structure and orientation of the molecules on surfaces and at interfaces with a submonolayer sensitivity. Besides, SFG can provide information on the drug-membrane interactions in situ and in real time, and can also give information on the transbilayer (flip-flop) dynamics of phospholipids and drugs in the bilayer. From the transbilayer dynamics of phospholipids and drugs, we can deduce information on the drug's orientation and packing state in the lipid bilayer, the integrity and fluidity (diffusion and permeability) of the bilayer, and the affinity between drugs and lipid molecules. Our research will broaden the applicability of SFG, help to clarify the interaction mechanism between drugs and cell membranes, provide an in-depth understanding on the drug's action mode and pharmacokinetics. The research results will further benefit the design and development of new drugs to optimize their interactions with cell membranes.

药物分子与细胞膜相互作用过程分子层次机理的研究对药物开发、药物作用机制的认识十分重要。本项目将以和频振动光谱为主要研究手段，同时辅以衰减全反射傅立叶变换红外光谱和共聚焦激光扫描显微镜等技术，选择常用的与细胞膜有作用的药物分子（包括水溶性和非水溶性的药物分子），以研究药物分子如何动态地与细胞膜模型体系作用的过程。和频振动光谱拥有独特的表界面选择性、单分子层灵敏度和取向敏感性，可原位、实时地给出药物与磷脂双分子层的动态作用信息，并且可从中获取磷脂分子和药物分子的翻转动力学机制。通过磷脂分子和药物分子在双层膜中的翻转动力学过程，我们可以探究药物分子在膜中取向和排列、磷脂双层膜的完整性和流动性（扩散性、通透性）以及药物分子与磷脂分子的作用亲和力等信息。本研究对于拓展和频振动光谱的应用，阐述药物分子与细胞膜的作用机理，理解药物分子的药代动力学以及进一步设计和开发新的药物等有重要意义。

本项目以盐酸氯丙嗪、盐酸金刚烷胺以及盐酸美金刚等小分子药物以及胆固醇、烷烃季铵盐等生物活性小分子为主要研究对象，以非线性和频振动光谱为主要研究手段，同时结合其他多种实验技术，深入、系统地探讨了这些药物分子及活性小分子对细胞膜的结构、动力学以及稳定性等影响及机制。具体如下：.（1）发现小分子药物盐酸氯丙嗪（CPZ）能够插入至中性磷脂的界面区，调控磷脂分子的堆积排列行为，增加了磷脂分子层间的翻转运动速率。而CPZ对带负电荷磷脂的影响则更加显著。结构相似的药物盐酸金刚烷胺和美金刚也具有类似的结果，不同之处在于这两个药物分子在PG外层呈现出有序排列。另外，项目还首次从定量角度研究了美金刚对磷脂双层膜排列的影响，发现美金刚加入到PG膜后，PG膜尾链的排列取向及取向分别均发生了显著改变。最后，项目还从荧光信号（包括荧光光谱和荧光显微镜）的角度系统研究了CPZ对磷脂的作用机制，发现CPZ插入到细胞膜后，其本身的荧光大大增强，而荧光磷脂的荧光则被淬灭。这种由CPZ导致的磷脂荧光淬灭现象是由动态淬灭和静态淬灭共同导致的。和频振动光谱不但可以给出药物对双层膜结构、水合程度、水分子取向、磷脂尾链取向、磷脂翻转动力学等诸多细节信息，而且可以得到药物分子在膜中的状态信息。这是任何其他技术所无法实现的。本项目首次采用了非线性和频振动光谱研究药物分子与细胞膜的作用机制，极大地拓宽了该技术的应用范围，对于推动该领域的发展具有积极意义。.（2）探讨了接枝有膜锚定能力的胆固醇分子的生物高分子（乙二醇壳聚糖）与细胞膜的作用规律，发展了一系列单一位点和多位点的膜染色试剂，实现了优于商品化试剂的长时间、抗光漂白的细胞膜染色、多种细胞（细菌、真菌和动物细胞）膜的普适性染色以及细胞膜脂筏的鉴定。.（3）利用具有膜响应的烷基甜菜碱分子（季铵盐分子）修饰荧光硅量子点，并以此创新性地实现了基于细胞膜的细菌成像、抗菌等生物医学应用。