《Ageing Research Reviews》：Insights into Mechanism of Ionic Liquids for Protein Stability: Future Implications for Neurodegeneration Treatment
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本綜述系統闡述了離子液體（ILs）通過其獨特的物理化學性質（如極性、疏水性、kosmotropicity/chaotropicity）調控蛋白質折疊、抑制錯誤折疊與淀粉樣纖維形成的作用機制，為核心病理表現為蛋白質錯誤聚集的神經退行性疾病（如阿爾茨海默病、帕金森病）提供了極具潛力的新型治療策略。
離子液體：對抗神經退行性疾病中蛋白質錯誤折疊的新興武器
神經退行性疾病（NDs），如阿爾茨海默病（AD）和帕金森病（PD），是全球日益嚴峻的健康挑戰。這些疾病的共同病理特征是特定蛋白質的錯誤折疊和異常聚集，形成有毒的淀粉樣纖維沉積，最終導致神經元功能喪失和腦損傷。盡管研究不斷深入，但能夠有效阻止或逆轉疾病進程的治療方法仍然匱乏。在這一背景下，離子液體（ILs）作為一種具有高度可設計性的新型溶劑，展現出在蛋白質穩定和抗淀粉樣蛋白生成方面的巨大潛力，為神經退行性疾病的治療開辟了新的視角。
離子液體的獨特性質與分類
離子液體是由有機陽離子和有機/無機陰離子在室溫或接近室溫下呈液態的鹽類。其低熔點源于離子體積龐大且結構不對稱，導致晶格能較低。ILs擁有低蒸氣壓、高離子電導率、自組裝行為和可調節的粘度等特性。根據結構，ILs可分為質子型離子液體（PILs）、非質子型離子液體（APILs）、兩性離子液體、表面活性離子液體（SAILs）、雙離子液體和任務特異性離子液體等。其性質（如疏水性、氫鍵能力）可通過陰陽離子的組合進行精確“裁剪”，例如，含[Cl-]、[Br-]等鹵素陰離子的ILs是強氫鍵受體，能穩定蛋白質的極性基團；而含[BF4-]、[PF6-]的ILs則疏水性更強，有助于穩定蛋白質的疏水核心。
離子液體穩定蛋白質的作用機制
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構象剛性與骨架穩定
ILs通過多種分子相互作用增強蛋白質的結構剛性。例如，咪唑類ILs（如1-Cn-3-甲基咪唑氯鹽）可通過疏水作用將溶劑暴露的非極性殘基埋入蛋白質核心，減少構象靈活性。膽堿類ILs（如[Ch][dhp]）能限制抗體Fab域的移動性，穩定其構象完整性。研究表明，ILs與蛋白質（如細胞色素c, Cyt c）的結合自由能可達-9至-17 kJ/mol，通過靜電和疏水作用穩定螺旋連接處和溶劑可及環區，熱力學上有利于天然構象。
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增強溶解性與解聚已形成聚集體
ILs能有效溶解蛋白質聚集體并促進其重新折疊。例如，水合膽堿磷酸二氫鹽（[Ch][dhp]）可溶解熱聚集的纖維素酶CcCel6A并恢復其酶活性。其機理包括ILs破壞蛋白質分子間的氫鍵網絡，以及通過形成溶劑化層屏蔽蛋白質的疏水區域，減少分子間碰撞。對于淀粉樣纖維，如胰島素纖維，ILs（如[BMIM][SCN]）能特異性與天冬酰胺（Asn）/谷氨酸（Glu）和賴氨酸（Lys）/精氨酸（Arg）等殘基相互作用，從分子水平上解聚纖維。
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pH與溶劑化動力學調控
ILs可以調節溶液的微環境pH，并通過影響蛋白質的水合層動力學來維持其穩定性。例如，咪唑類ILs（如[BMIM][Br]）在不同pH下能通過氫鍵、靜電作用和π-π堆積提高人血清 albumin（HSA）的溶解性和結構完整性。ILs的離子可以中和蛋白質表面電荷的極端狀態，減少過度質子化或去質子化，從而穩定氫鍵，形成保護性外殼，限制聚集。
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膠束性質與自組裝
具有長烷基鏈的SAILs可在水溶液中自組裝成膠束、囊泡等結構。這些ILs能誘導蛋白質（如β-乳球蛋白, β-LG）形成更小、更有序的聚集體，甚至球形或螺旋纖維結構，從而將無規聚集體重構為可控的組裝體。ILs的臨界膠束濃度（CMC）和疏水尾鏈長度在此過程中起關鍵作用，通過疏水和靜電作用促進蛋白質的再折疊。
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緩解熱誘導的蛋白質變性
ILs表現出顯著的熱保護效應。例如，甜菜堿類ILs能使CALB酶在70°C下抵抗變性。在無溶劑IL介質中，肌紅蛋白的熔點（Tm）可從70°C大幅提升至160.1°C。膽堿類ILs（如[Ch][Bi], [Ch][Cl]）能提高β-LG的熱穩定性，使其芳香族殘基處于更疏水的微環境中。熱力學參數（如負的吉布斯自由能變-ΔG）表明ILs與蛋白質的結合是自發過程，有助于穩定折疊狀態。
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強化天然結構與功能韌性
ILs對蛋白質穩定性的影響常遵循Hofmeister序列，其中陰離子的性質（kosmotropic或chaotropic）至關重要。kosmotropic陰離子（如硫酸根）能強化水結構，促進蛋白質水合和分子內相互作用，而chaotropic陰離子則更直接地與蛋白質疏水斑塊或骨架結合。ILs（如[EMIM][ESO4]）能恢復尿素變性蛋白的α-螺旋含量，減少β-折疊。它們還能增加蛋白質的回轉半徑（Rg），表明水合作用增強，同時維持蛋白質的球狀構象，增加結構緊實度。
離子液體在抑制淀粉樣蛋白生成中的應用
ILs在直接對抗與神經退行性疾病相關的蛋白質聚集方面顯示出巨大前景。
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α-突觸核蛋白（α-synuclein）：作為本質無序蛋白（IDP），α-synuclein易發生螺旋到β-折疊的轉變。研究表明，乙銨硝酸鹽（EAN）可通過電荷屏蔽和疏水關聯誘導其結構緊實，影響其淀粉樣轉化。
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Aβ肽：與阿爾茨海默病相關的Aβ肽的纖維化可被ILs抑制。例如，[BMIM][Br]能將色氨酸殘基重新導向親水環境，防止其陷入纖維核心，從而減少β-折疊含量，阻止纖維伸長。三乙銨甲磺酸鹽（TEAM）在較高濃度下能完全抑制Aβ纖維化，增加螺旋含量。
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解聚預形成的淀粉樣聚集體：ILs能溶解已形成的淀粉樣纖維。例如，[BMIM]與SCN-, NO3-, Cl-等陰離子結合使用，可使牛胰島素淀粉樣纖維解聚，并恢復其80%的二級結構，成功復性為天然單體形式。
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SOD1聚集：四丁銨甲磺酸鹽（TBAMs）和四丁銨氯鹽（TBAC）能誘導SOD1結構緊實，降低表面疏水性，通過穩定其靜電環和鋅結合環來抑制淀粉樣蛋白形成。
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溶菌酶和血清白蛋白：生物相容性膽堿類ILs（如[Ch][Ac], [Ch][dhp]）能抑制溶菌酶的淀粉樣形成。表面活性ILs（SAILs）如[OMIM][Cl], [DoMIM][Cl]可通過將其脂肪鏈插入淀粉樣核心的疏水區，破壞預形成的聚集體。
挑戰與展望
盡管ILs在蛋白質穩定和抗淀粉樣蛋白生成方面展現出巨大潛力，但其作用具有雙重性，高度依賴于IL的濃度、陰陽離子種類、烷基鏈長度等。某些ILs在特定條件下可能反而促進蛋白質去穩定化或聚集。因此，未來研究需要精確設計ILs的結構，以優化其穩定效果并最小化潛在毒性。深入理解ILs與特定神經退行性相關蛋白質（如tau蛋白、TDP-43）的相互作用機制至關重要。將ILs開發成有效的神經保護療法，還需要解決其向大腦靶向遞送、生物相容性和長期安全性等挑戰。總之，離子液體為代表的可編程溶劑，為理解和干預神經退行性疾病的核心病理過程——蛋白質錯誤折疊與聚集，提供了前所未有的強大工具和嶄新的治療范式。
