中科院过程所刘瑞田/卢帅《AFM》:会释放“不要吃我”信号的聚合物纳米粒子, 有望用于治疗老年痴呆

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种中枢神经系统变性病,是老年痴呆最常见的一种类型,主要表现为渐进性记忆障碍、认知功能障碍及语言障碍等神经精神症状,其典型的病理特征是细胞外β淀粉样蛋白(amyloid-β, Aβ斑)沉积形成的老年斑、细胞内神经元纤维缠结和脑萎缩。由于血脑屏障(Blood-Brain Barrier, BBB)阻碍了大多数药物到达大脑,有效的脑部药物递送一直是AD和其他脑部疾病的一个重大挑战。为了提高血脑屏障的通透性,科学家们开发了如BBB穿透肽(CRTIGPSVC, CRT)、靶向CD47糖蛋白和小胶质细胞调节剂(Necrostatin-1s, Nec-1s)等选择性的内源性运输机制;然而,穿透肽转运能力低、Nec-1s水溶性差和脑部生物利用度低等缺陷为该项研究带来了巨大的困难。

近日,中国科学院过程工程研究所刘瑞田和卢帅研究团队开发了一种新型的聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物(PLGA)纳米粒子(CRT-CD47-NP-Nec-1s),它通过活性氧(ROS)响应性苯硼酸酯键与CD47胞外结构域偶联,显示出“不要吃我”信号,并将CRT和Nec-1s包裹在其中。研究发现小鼠脑内高水平的ROS促使纳米粒子中CD47的释放,生成的颗粒有效地被常驻的小胶质细胞吞噬,被吞噬的Nec-1s可将病理性小胶质细胞调节到有益状态,减轻Aβ斑负荷、小胶质细胞增生和星形胶质细胞增生,减少AD小鼠脑内细胞因子的产生和氧化应激,最终达到减轻认知障碍和突触丢失的治疗效果。该项研究结果首次证明,可条件释放的“不要吃我”CD47信号显著促进了小胶质细胞靶向给药,值得进一步研究开发治疗AD的药物。该研究成果以题为“A Conditionally Releasable “Do not Eat Me” CD47 Signal Facilitates Microglia-Targeted Drug Delivery for the Treatment of Alzheimer’s Disease”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

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如图1所示,首先通过纳米沉淀法将Nec-1s包裹到共聚物NPs中,CRT和CD47再分别与NPs表面羧酸和苯硼酸偶联制得CRT-CD47-NP-Nec-1s,TEM图谱表明CRT-CD47-NP-Nec-1s为均匀球状,尺寸约为70 nm。

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图1. CRT-CD47-NP-Nec-1s对AD小鼠大脑小胶质细胞和神经元的运输和影响的示意图

为了探讨CRT-CD47-NP-Nec-1s对AD小鼠记忆和学习能力的影响,对其进行了Morris水迷宫、Y迷宫测试以及新物体辨别实验。在Morris水迷宫训练中,NP-Nec-1s-、CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-实验组小鼠的逃避潜伏期逐渐减少,其中CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-实验组小鼠首次穿越目标位置的时间明显缩短,穿越平台次数更多,且目标象限停留时间更长(图2A-D);在Y迷宫测试中,CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-实验组小鼠在新异臂停留时间更长且进入的次数更多;在新物体辨别实验中,CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-实验组小鼠对新物体表现出较高的辨别指数(图2E)。 结果表明CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s显著地减轻了AD小鼠的记忆和认知缺陷,且CRT-CD47-NP-Nec-1s效果最显著。

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图2. CRT-CD47-NP-Nec-1s拯救AD小鼠的记忆和认知缺陷

研究者们采用免疫组织化学方法考察了NPs对AD小鼠病理特征的影响,结果显示CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-实验组小鼠大脑的Aβ斑负荷明显减少(图3A, B),说明CRT-CD47-NP-Nec-1s有效地减轻了β淀粉样蛋白病变;并且NP-Nec-1s、CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s显著地减轻了AD小鼠的小胶质细胞增生和星形胶质细胞增生(图3C-F)。此外,研究发现CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s增加了GSH/GSSG比值,从而减少AD小鼠脑内氧化应激。

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图3. CRT-CD47-NP-Nec-1s减轻AD小鼠的β淀粉样蛋白病变、小胶质细胞增生和星形胶质细胞增生

尼氏染色法实验结果显示,CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-实验组小鼠大脑CA1区神经细胞存活数量明显增加(图4A, B),Western blot结果发现,NP-Nec-1s-、CRT-NP-Nec-1s-和CRT-CD47-NP-Nec-1s-实验组小鼠的海马区SYN和PSD95的表达水平增高,其中CRT-CD47-NP-Nec-1s效果尤为显著(图4C, D),因此,CRT-CD47-NP-Nec-1s可以修复损伤神经元,改善突触损伤和丢失。

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图4. CRT-CD47-NP-Nec-1s改善AD小鼠的突触损伤和丢失

体外实验结果显示CRT-CD47-NP-Nec-1s降低了经Aβ处理后BV2细胞中Ch25h 和CST7的转录水平(图5A, B),同时体内实验结果表明,NP-Nec-1s、CRT-NP-Nec-1s和CRT-CD47-NP-Nec-1s都明显降低了AD小鼠Ch25h 和CST7的转录水平(图5C, D)。研究还发现,CRT-CD47-NP-Nec-1s 高效地降低了AD小鼠体内溶酶体相关基因Cst7的表达(图5E-F),说明CRT-CD47-NP-Nec-1s可以调控AD小鼠RIPK1和Cst7的生成,将病理性小胶质细胞调节至有益状态

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图5. CRT-CD47-NP-Nec-1s调控病理性小胶质细胞至有益状态

 

亮点小结:

该项研究所开发的CRT-CD47-NP-Nec-1s通过防止吞噬细胞的吞噬,有效地延长了其在血液循环中的半衰期,并通过CD47和CRT的协同作用增强了其在脑内的分布,被吞噬的Nec-1s可将病理性小胶质细胞调节到有益状态,通过降低Aβ斑负荷和修复损伤神经元来挽救认知障碍和突触丢失。这种小胶质细胞靶向给药纳米粒子有望用于探索小胶质细胞在AD发病机制中的作用,对于研究开发治疗AD的药物具有重大意义。

全文链接:

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

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