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新型納米分子伴侶重塑β-淀粉樣蛋白穩(wěn)態(tài)用于阿爾茲海默癥的預(yù)防性治療
2019-09-29  來源:高分子科技

  阿爾茲海默癥(Alzheimer’s disease, AD)是世界上最常見的年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病之一,然而目前對(duì)該疾病并無有效的治療方法。該疾病的一項(xiàng)顯著的病理學(xué)特征是患者腦中由于β淀粉樣蛋白(β-amyloid peptide, Aβ)聚集所形成的淀粉樣斑塊(又稱老年斑)。因此許多研究認(rèn)為Aβ 在腦中的過度積累是阿爾茲海默癥發(fā)病的罪魁禍?zhǔn)。其本質(zhì)原因是Aβ的過度表達(dá)或代謝紊亂造成該蛋白在腦內(nèi)的穩(wěn)態(tài)失衡,使該蛋白大量聚集形成具有毒性的淀粉樣寡聚體和斑塊,從而引發(fā)細(xì)胞損傷和神經(jīng)炎癥,最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡和認(rèn)知障礙。熱休克蛋白作為一類天然分子伴侶,是維持體內(nèi)蛋白穩(wěn)態(tài)的重要組成部分,其疏水空腔可以與蛋白質(zhì)相互作用,不僅能有效控制蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊與聚集,而且可以輔助蛋白質(zhì)的折疊、轉(zhuǎn)運(yùn)和清除,從而保證細(xì)胞的正常生理功能。

圖1:納米分子伴侶抑制Aβ聚集,降低Aβ細(xì)胞毒性,促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)Aβ清除,重塑Aβ穩(wěn)態(tài)示意圖

  近日,南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院史林啟教授、生命科學(xué)學(xué)院馮喜增教授及中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所黃帆副研究員合作,在國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201901844)上發(fā)表文章。該研究利用復(fù)合殼層膠束(MSPM)模擬熱休克蛋白的結(jié)構(gòu)和功能,構(gòu)建新型納米分子伴侶,可以有效抑制Aβ的聚集,加速Aβ的清除,減輕Aβ誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性和神經(jīng)炎癥。該納米分子伴侶的表面由塌縮的疏水微區(qū)與伸展的親水聚合物鏈段組成,從而形成類似熱休克蛋白的疏水空腔,可以選擇性的捕獲Aβ蛋白,抑制其聚集及并阻止其與神經(jīng)細(xì)胞膜的接觸,從而減少神經(jīng)元的損傷和神經(jīng)炎癥的發(fā)生,促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的吞噬,進(jìn)而挽救轉(zhuǎn)基因AD小鼠的認(rèn)知損傷,預(yù)防阿爾茲海默癥的發(fā)生(圖1)。

圖2:a-c)納米分子伴侶抑制Aβ的聚集,d-g)納米分子伴侶對(duì)Aβ的選擇性結(jié)合

  研究人員首先研究了納米分子伴侶對(duì)Aβ聚集的抑制效果以及其對(duì)Aβ的選擇性結(jié)合能力。硫磺素T(ThT)可以特異性地與Aβ聚集所形成的β-sheet結(jié)構(gòu)結(jié)合,通過檢測(cè)體系的熒光強(qiáng)度可以監(jiān)控Aβ的聚集過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加入納米分子伴侶的體系的熒光強(qiáng)度顯著降低,表明納米分子伴侶可以有效抑制Aβ的聚集(圖2a)。將納米分子伴侶與Aβ共同孵育5天后,透射電鏡結(jié)果顯示納米分子伴侶顯著抑制了Aβ纖維的形成(圖2c)。與三種不同蛋白混合孵育后,將納米分子伴侶與游離蛋白分離,通過SDS-PAGE分別對(duì)游離蛋白含量及與納米分子伴侶結(jié)合的蛋白含量進(jìn)行分析。其結(jié)果表明納米分子伴侶對(duì)Aβ蛋白具有良好的選擇性結(jié)合能力。

圖3:納米分子伴侶降低Aβ的細(xì)胞毒性(a),減少Aβ單體和寡聚體對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的黏附(b-e),增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的吞噬(f-i),降低神經(jīng)炎癥因子的釋放(j)

  接下來,研究人員考察了納米分子伴侶在降低Aβ細(xì)胞毒性,促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞清除,以及減少神經(jīng)炎癥因子的釋放等方面的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,納米分子伴侶通過捕獲和結(jié)合Aβ,顯著減少了Aβ在神經(jīng)細(xì)胞膜上的粘附,進(jìn)而降低了其細(xì)胞毒性(圖3a-e)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與單純的Aβ相比,納米分子伴侶與Aβ結(jié)合形成的復(fù)合物更易被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬,促進(jìn)了Aβ的清除(圖3f-i)。同時(shí),納米分子伴侶與Aβ結(jié)合后,顯著降低了神經(jīng)炎癥因子(TNF-α)的產(chǎn)生,進(jìn)而減少神經(jīng)炎癥的發(fā)生(圖3j)。

圖4:納米分子伴侶保護(hù)轉(zhuǎn)基因AD小鼠的認(rèn)知能力,降低腦內(nèi)Aβ含量,抑制細(xì)胞凋亡和神經(jīng)炎癥。a-b)新奇事物認(rèn)知實(shí)驗(yàn)(object recognition task, ORT), c-f) 免疫熒光染色,g-h)western blot實(shí)驗(yàn)

  體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了納米分子伴侶在體內(nèi)的有效性。行為學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,納米分子伴侶挽救了APP/PS1轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠的認(rèn)知障礙,證明納米分子伴侶可以有效預(yù)防處于疾病早期階段的AD小鼠的認(rèn)知損傷(圖4a-b)。腦組織免疫熒光染色和western blot的結(jié)果表明,納米分子伴侶顯著降低了小鼠腦內(nèi)Aβ的含量和淀粉樣斑塊的大小,cleaved-caspase 3和TNF-α含量的降低分別表明了神經(jīng)細(xì)胞凋亡和神經(jīng)炎癥的減少(圖4c-h)。以上體外/體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均表明,納米分子伴侶可以有效抑制Aβ的聚集,降低Aβ對(duì)神經(jīng)細(xì)胞膜的黏附并減少其神經(jīng)毒性,促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的清除,并且減輕神經(jīng)細(xì)胞損傷和神經(jīng)炎癥的發(fā)生,改善早期AD模型小鼠的認(rèn)知障礙,有望為 為阿爾茲海默癥的早期預(yù)防和治療提供了新的策略和思路。

  論文的第一作者為南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院楊惠茹博士,共同第一作者為南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李昕宇博士。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院史林啟教授,南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院馮喜增教授和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所黃帆副研究員為論文的共同通訊作者。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901844

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