中科院過程所劉瑞田/盧帥《AFM》:會釋放“不要吃我”信號的聚合物納米粒子, 有望用於治療老年癡呆

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一種中樞神經系統變性病,是老年癡呆最常見的一種類型,主要表現為漸進性記憶障礙、認知功能障礙及語言障礙等神經精神癥狀,其典型的病理特征是細胞外β淀粉樣蛋白(amyloid-β, Aβ斑)沉積形成的老年斑、細胞內神經元纖維纏結和腦萎縮。由於血腦屏障(Blood-Brain Barrier, BBB)阻礙瞭大多數藥物到達大腦,有效的腦部藥物遞送一直是AD和其他腦部疾病的一個重大挑戰。為瞭提高血腦屏障的通透性,科學傢們開發瞭如BBB穿透肽(CRTIGPSVC, CRT)、靶向CD47糖蛋白和小膠質細胞調節劑(Necrostatin-1s, Nec-1s)等選擇性的內源性運輸機制;然而,穿透肽轉運能力低、Nec-1s水溶性差和腦部生物利用度低等缺陷為該項研究帶來瞭巨大的困難。

近日,中國科學院過程工程研究所劉瑞田盧帥研究團隊開發瞭一種新型的聚(乳酸-羥基乙酸)共聚物(PLGA)納米粒子(CRT-CD47-NP-Nec-1s),它通過活性氧(ROS)響應性苯硼酸酯鍵與CD47胞外結構域偶聯,顯示出“不要吃我”信號,並將CRT和Nec-1s包裹在其中。研究發現小鼠腦內高水平的ROS促使納米粒子中CD47的釋放,生成的顆粒有效地被常駐的小膠質細胞吞噬,被吞噬的Nec-1s可將病理性小膠質細胞調節到有益狀態,減輕Aβ斑負荷、小膠質細胞增生和星形膠質細胞增生,減少AD小鼠腦內細胞因子的產生和氧化應激,最終達到減輕認知障礙和突觸丟失的治療效果。該項研究結果首次證明,可條件釋放的“不要吃我”CD47信號顯著促進瞭小膠質細胞靶向給藥,值得進一步研究開發治療AD的藥物。該研究成果以題為“A Conditionally Releasable “Do not Eat Me” CD47 Signal Facilitates Microglia-Targeted Drug Delivery for the Treatment of Alzheimer’s Disease”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。

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如圖1所示,首先通過納米沉淀法將Nec-1s包裹到共聚物NPs中,CRT和CD47再分別與NPs表面羧酸和苯硼酸偶聯制得CRT-CD47-NP-Nec-1s,TEM圖譜表明CRT-CD47-NP-Nec-1s為均勻球狀,尺寸約為70 nm。

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圖1. CRT-CD47-NP-Nec-1s對AD小鼠大腦小膠質細胞和神經元的運輸和影響的示意圖

為瞭探討CRT-CD47-NP-Nec-1s對AD小鼠記憶和學習能力的影響,對其進行瞭Morris水迷宮、Y迷宮測試以及新物體辨別實驗。在Morris水迷宮訓練中,NP-Nec-1s-、CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-實驗組小鼠的逃避潛伏期逐漸減少,其中CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-實驗組小鼠首次穿越目標位置的時間明顯縮短,穿越平臺次數更多,且目標象限停留時間更長(圖2A-D);在Y迷宮測試中,CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-實驗組小鼠在新異臂停留時間更長且進入的次數更多;在新物體辨別實驗中,CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-實驗組小鼠對新物體表現出較高的辨別指數(圖2E)。 結果表明CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s顯著地減輕瞭AD小鼠的記憶和認知缺陷,且CRT-CD47-NP-Nec-1s效果最顯著。

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圖2. CRT-CD47-NP-Nec-1s拯救AD小鼠的記憶和認知缺陷

研究者們采用免疫組織化學方法考察瞭NPs對AD小鼠病理特征的影響,結果顯示CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-實驗組小鼠大腦的Aβ斑負荷明顯減少(圖3A, B),說明CRT-CD47-NP-Nec-1s有效地減輕瞭β淀粉樣蛋白病變;並且NP-Nec-1s、CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s顯著地減輕瞭AD小鼠的小膠質細胞增生和星形膠質細胞增生(圖3C-F)。此外,研究發現CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s增加瞭GSH/GSSG比值,從而減少AD小鼠腦內氧化應激。

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圖3. CRT-CD47-NP-Nec-1s減輕AD小鼠的β淀粉樣蛋白病變、小膠質細胞增生和星形膠質細胞增生

尼氏染色法實驗結果顯示,CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-實驗組小鼠大腦CA1區神經細胞存活數量明顯增加(圖4A, B),Western blot結果發現,NP-Nec-1s-、CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-實驗組小鼠的海馬區SYN和PSD95的表達水平增高,其中CRT-CD47-NP-Nec-1s效果尤為顯著(圖4C, D),因此,CRT-CD47-NP-Nec-1s可以修復損傷神經元,改善突觸損傷和丟失。

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圖4. CRT-CD47-NP-Nec-1s改善AD小鼠的突觸損傷和丟失

體外實驗結果顯示CRT-CD47-NP-Nec-1s降低瞭經Aβ處理後BV2細胞中Ch25h 和CST7的轉錄水平(圖5A, B),同時體內實驗結果表明,NP-Nec-1s、CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s都明顯降低瞭AD小鼠Ch25h 和CST7的轉錄水平(圖5C, D)。研究還發現,CRT-CD47-NP-Nec-1s 高效地降低瞭AD小鼠體內溶酶體相關基因Cst7的表達(圖5E-F),說明CRT-CD47-NP-Nec-1s可以調控AD小鼠RIPK1和Cst7的生成,將病理性小膠質細胞調節至有益狀態

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圖5. CRT-CD47-NP-Nec-1s調控病理性小膠質細胞至有益狀態

亮點小結:

該項研究所開發的CRT-CD47-NP-Nec-1s通過防止吞噬細胞的吞噬,有效地延長瞭其在血液循環中的半衰期,並通過CD47和CRT的協同作用增強瞭其在腦內的分佈,被吞噬的Nec-1s可將病理性小膠質細胞調節到有益狀態,通過降低Aβ斑負荷和修復損傷神經元來挽救認知障礙和突觸丟失。這種小膠質細胞靶向給藥納米粒子有望用於探索小膠質細胞在AD發病機制中的作用,對於研究開發治療AD的藥物具有重大意義。

全文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adfm.201910691

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