在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院和英国伦敦大学学院等研究机构的研究人员首次获得了人类纤毛（cilia）---排列在我们的呼吸道上的微小的、像头发一样的突出物---结构的图像，这可能为罕见的纤毛疾病患者带来亟需的治疗。相关研究结果发表在2023年6月15日的Nature期刊上，论文标题为“Axonemal structures reveal mechanoregulatory and disease mechanisms”。
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这些作者结合了先进的显微镜和人工智能技术来获得人类纤毛结构的详细快照。作为细胞上的微观突起，纤毛排列在我们的肺部、耳朵和鼻窦内壁细胞的表面上，并有节奏地跳动，以保持肺部没有粘液和细菌。遗传了罕见的原发性纤毛运动障碍（primary ciliary dyskinesia, PCD）的人的纤毛有缺陷，不能有效地清除呼吸道中的碎片，因此遭受呼吸困难和慢性肺部感染。
这些作者首次可视化观察导致纤毛跳动的分子“纳米机器”，沿着纤毛长度每隔96纳米就可以看到相同的结构。这些结构聚集在一起，形成了轴丝（axoneme）。在健康的气道中，这种复杂的结构受到严格的控制，分子被精确地安排，使纤毛以有节奏的、波浪式的运动跳动，每天跳动约100万次。
在PCD患者中，这些作者发现纤毛不能正确地跳动，因为轴丝结构的关键成分缺失，这是由于基因突变造成的。这一新信息可能导致针对靶向这种缺陷的新药物，从而使纤毛正常跳动。
伦敦大学学院大奥蒙德街儿童健康研究所的Hannah Mitchison教授说，“目前治疗PCD的方法是清除人们的呼吸道并防止感染。我们的研究结果提供了开发可以精确地靶向轴丝的微小缺陷从而使纤毛按照它们应该的方式跳动的分子药物的可能性。分子药物正显示出对其他罕见疾病的希望，而针对COVID-19的研究已经开启了将这些药物直接递送到肺部的新方法。如果我们能将这些进展与我们的新发现结合起来，我希望我们能在未来5到10年内将分子药物带给PCD患者。”
莱茵衣藻轴丝模块重复结构的原子模型。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06140-2。
这项新的研究也可能被证实对不孕症有用，因为精子依靠其尾部的类似轴丝结构来推动自己前进。
Mitchison教授说，“研究像PCD这样的罕见疾病可能很困难，因为患者分散在世界各地。在英国，我们认为大约有9000个家庭可能受到PCD的影响。我们的研究是通过临床科学家、生物学家和愿意参与我们研究的罕见疾病社区成员之间奇妙的国际合作实现的。”
除了人类纤毛外，这些作者还研究了一种名为莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的单细胞藻类的轴丝结构，该藻类使用其表面的两个尾巴状突起来游泳。尽管相隔10多亿年的进化，该藻类的尾巴与人类的呼吸道纤毛在结构上有相似之处，这就突显了轴丝在整个进化中的重要性。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1. Travis Walton et al. Axonemal structures reveal mechanoregulatory and disease mechanisms. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06140-2.
2. World"s first illustration of the molecular machinery that makes cilia beathttps://phys.org/news/2023-06-world-molecular-machinery-cilia.html
