1. 胆碱能信号传导中的受体和酶
胆碱能传递在生理和病理过程中至关重要。乙酰胆碱（ACh）作为首个被确认的神经递质，其生物合成始于丝氨酸在丝氨酸脱羧酶作用下脱羧生成乙醇胺，再经N- 甲基转移酶甲基化形成胆碱，胆碱在神经元细胞质中由胆碱乙酰转移酶利用线粒体产生的乙酰辅酶 A 转化为 ACh 。合成后的 ACh 由囊泡乙酰胆碱转运体装载到突触小泡，当动作电位到达突触前末梢，触发电压门控钙通道开放，ACh 释放。
ACh 通过烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）和毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAChRs）发挥作用。nAChRs 是五聚体配体门控离子通道，存在于外周神经系统（PNS）和中枢神经系统（CNS）。神经元 nAChRs 由 α（α2–α10）和 β（β2–β4）亚基组成多种亚型，如大脑中广泛表达的 α4β2* 和 α7受体，以及 PNS 中常见的 α3β4* 受体。nAChRs 参与学习、记忆等多种功能，其功能异常与焦虑、抑郁、阿尔茨海默病（AD）等疾病相关，还在非神经元细胞中参与炎症等过程 。然而，传统药物难以区分 nAChR 亚型，临床应用受限。
mAChRs 属于 G 蛋白偶联受体（GPCRs）超家族，包含 M1–M5五种亚型。不同亚型通过偶联不同的 G 蛋白发挥作用，如 M1、M3、M5受体偶联 Gq/11蛋白，M2、M4受体偶联 Gi/o蛋白 。它们广泛分布于 CNS 和 PNS，介导多种生理功能，是重要的治疗靶点。但目前针对 mAChRs 的治疗主要依赖非选择性拮抗剂，存在副作用，开发选择性药物意义重大。
乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BuChE）是水解 ACh、终止其作用的丝氨酸水解酶。AChE 主要参与神经元信号传导，BuChE 分布于多个组织。AChE 是治疗 AD 的常见靶点，现有抑制剂存在疗效有限和副作用等问题。近年来，BuChE 作为潜在治疗靶点受到关注，但其选择性抑制剂尚未获批 。
传统针对胆碱能系统的药物存在亚型或组织选择性差、时间精度依赖药代动力学等问题，限制了对胆碱能传递的研究和有效治疗，促使光化学等先进技术的发展。
2. 光药理学方法
光化学在多个领域成果显著，光药理学应运而生。它利用光可实现对药物活性的时空精确控制，有望克服传统药物的选择性差和耐药性问题。光药理学结合了 “光化学” 和 “药理学”，通过光照诱导光活性化合物结构改变，调节其对靶标的生物学作用。
光动力疗法（PDT）和光遗传学为光药理学发展提供了借鉴。PDT 利用光敏剂在光照下破坏肿瘤细胞，具有选择性。光遗传学通过光调节基因编码的离子通道等，精确控制细胞信号传导，但二者也存在局限 。
光药理学根据光激活生物活性化合物是否可逆，分为 “不可逆” 和 “可逆” 光药理学。不可逆光药理学使用光裂解保护基团（PPGs），光照射时裂解恢复生物活性，但存在不可逆、可能产生副产物和光解效率低等问题。可逆光药理学利用光开关配体，如含偶氮苯的化合物，可实现对生物靶标的可逆控制，但应用受限 。光药理学为精准医学和研究胆碱能系统提供了新途径。
3. 烟碱型乙酰胆碱受体
3.1 光裂解配体
1986 年，Hess 团队首次合成光裂解烟碱型配体，将光可移除的 2 - 硝基苄基连接到卡巴胆碱（非选择性胆碱能激动剂）上，光解后可激活 nAChRs 。此后，多种此类衍生物被开发并应用于研究。如 “cage I” 和 “cage II” 用于研究激动剂结合和受体构象变化；caged carbachol 用于探究局部麻醉药对 nAChRs 通道开闭速率常数的影响 ；还用于研究外毛细胞（OHCs）中 Ca2+依赖的 K+电流激活动力学以及海马神经元上 nAChRs 的分布和功能 。
2003 年，Etchenique 团队合成 caged nicotine（RuBi-Nicotine），可在安全波长下光解释放尼古丁，用于研究尼古丁对细胞增殖的影响 。2018 年，Lavis 团队开发 PA-Nic，能在 UV 光下释放尼古丁，性能优越，被广泛应用于研究 nAChRs 在不同神经元回路中的作用，如在腹侧被盖区（VTA）谷氨酸神经元中的功能 。同年，Ellis-Davies 团队基于 ABT594 开发光裂解配体，用于探测内侧缰核（MHb）中 nAChRs，揭示了轴突 nAChRs 在尼古丁信号传导中的新作用 。
3.2 光开关配体
1969 年，Erlanger 团队发现 azo-PTA 和 azo-Ph-carbachol 可作为 AChRs 的光开关抑制剂 。随后，BisQ 和 QBr 等光开关配体被开发，BisQ 是 nAChRs 的部分光激动剂，QBr 可共价连接到受体上实现光控 。
2012 年，Trauner 和 Kramer 团队结合合成化学与基因工程，开发光开关配体 MAACh 和 MAHoCh，用于调节工程化的 nAChRs 。2018 年，Mourot 团队利用 MAHoCh 调节 VTA 中 β2含 nAChRs，研究其在尼古丁成瘾中的作用 。
2015 年，Trauner 团队开发 AzoCholine，用于控制 α7 nAChRs 。近期，Li 团队开发 d9-AzoCholine，性能更优 。Ellis-Davies 团队开发基于四氟偶氮苯（4FAB）的光开关配体 4FABTA，可用于体内控制天然 nAChRs 。2020 年，Rodríguez-Franco 团队开发 azocuroniums，对肌肉型 nAChRs 有选择性，有望作为肌肉松弛剂 。此外，光药理学在农业化学领域也有应用，如开发光开关杀虫剂，提高农药选择性 。
4. 毒蕈碱型乙酰胆碱受体
4.1 光裂解配体
2003 年，Ashby 团队使用 caged carbachol 研究胰腺腺泡细胞中 mAChRs 的激活和 Ca2+信号传导，揭示了受体激活与细胞内 Ca2+振荡的关系 。2023 年，Ohmiya 团队开发基于碳 - 硼（C–B）键的光裂解策略，制备 CagMe-ACh，可高效光解释放 ACh，为光药理学提供新工具 。
4.2 光开关配体
1982 年，Erlanger 团队使用 BisQ 研究青蛙心肌中的 mAChRs，发现其在trans形式下是 mAChR 拮抗剂 。2017 年，Decker 团队开发 BQCAAI，是首个针对 M1 mAChR 的光开关双位点配体，可在不同光照下表现出激动剂或拮抗剂活性 。
2019 年，Decker 团队研究氟代偶氮苯核心的光开关 M1 mAChR 配体，发现氟代可调节配体的光化学和药理学性质 。同年，Riefolo 团队开发 Phthalimide-Azo-Iperoxo（PAI），是首个光开关 M2 mAChR 激动剂，可用于控制心脏活动和大脑状态转换 。2021 年，Sortino 团队使用 PAI 通过三光子激发（3PE）控制神经元活动，拓展了光药理学在体内研究的应用 。
2021 年，Riefolo 团队开发 cryptozepines，是基于三环药物设计的光开关 mAChR 拮抗剂 。2024 年，Gerwe 团队开发首个针对 A 类 GPCRs 的光开关正变构调节剂（PAM），用于研究和治疗相关疾病 。
5. 胆碱酯酶
5.1 光裂解抑制剂和再激活剂
1996 年，Peng 和 Goeldner 团队合成光裂解胆碱前体，作为胆碱酯酶的可逆抑制剂，用于研究酶的动力学和晶体结构 。2022 年，Choi 团队开发 coumarin-caged oxime reactivators，可光解激活 AChE，为治疗有机磷中毒提供新方法 。
5.2 光开关抑制剂
1969 年，Erlanger 团队发现 azo-PTA 和 azo-carbachol 可作为 AChE 的光开关抑制剂 。2014 年，Decker 团队开发 DTE-THA，Trauner 团队开发 azo-THA，二者均以他克林（THA）为活性药效团，可光控抑制 AChE 。
2022 年，Decker 团队开发选择性 BuChE 光开关抑制剂，在小鼠 AD 模型中可恢复认知功能 。近期，Altomare 和 Corelli 团队开发光开关多靶点抑制剂，同时抑制 AChE 和单胺氧化酶 B（MAO-B），为治疗神经退行性疾病提供新策略 。
6. 总结与展望
光药理学在胆碱能系统研究中取得显著进展，光开关和光裂解配体有助于深入理解胆碱能信号传导，为神经疾病治疗提供新方向。但目前光药理学仍面临挑战，如短波长光在生物组织中穿透性差、有光毒性等。未来，合成化学、分子生物学和光子学的发展有望克服这些问题，开发利用红或红外光的配体和方法，推动光药理学在精准医学中的应用，尤其是神经退行性疾病的治疗 。
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