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東華大學(xué)史向陽教授團隊 Nano Today:基于含磷樹狀大分子的藥物遞送系統(tǒng)協(xié)同增強自噬、抗炎和抗氧化治療阿爾茨海默癥
2025-02-11  來源:高分子科技

  阿爾茨海默。ˋD)是最常見的神經(jīng)退行性疾病之一,其特點是神經(jīng)元逐漸退化,導(dǎo)致認(rèn)知能力逐漸下降。隨著病情的發(fā)展,患者可能完全喪失生活自理能力,難以適應(yīng)周圍環(huán)境。AD的發(fā)病機制錯綜復(fù)雜,包括β-淀粉樣蛋白(Aβ)的異常聚集、激活的小膠質(zhì)細(xì)胞引發(fā)氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥、神經(jīng)元功能障礙等,加上血腦屏障(BBB)帶來的巨大挑戰(zhàn),極大地阻礙了治療藥物向病灶區(qū)域的有效輸送。目前的單藥療法只能針對AD發(fā)展過程中的特定方面,而在解決整個病理途徑的療效有限。尋求全面調(diào)節(jié)腦部炎癥微環(huán)境以有效改善AD病理的治療策略至關(guān)重要。


  自噬被廣泛認(rèn)為是一種自我保護機制,它能使細(xì)胞承受各種環(huán)境壓力,如營養(yǎng)或生長因子匱乏、缺氧、活性氧(ROS)或DNA損傷。加強細(xì)胞自噬以加速Aβ聚集體的分解和代謝被認(rèn)為是一種很有前景的治療策略,尤其是在神經(jīng)退行性疾病中。雷帕霉素(Rap)可通過調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞活性和減少促炎介質(zhì)的分泌,因而具有抗神經(jīng)炎和神經(jīng)保護特性。此外,Rap通過抑制mTOR活性促進自噬體形成,促使自噬體與溶酶體融合,形成自噬溶酶體,可有效清除神經(jīng)元細(xì)胞中受損或異常積累的蛋白質(zhì),如Aβ和α-突觸核蛋白。


  納米平臺的開發(fā)為有效治療AD提供了新途徑。其中,羥基封端的含磷樹狀大分子不僅可以作為納米載體有效穿透BBB,實現(xiàn)大腦的靶向給藥,而且還表現(xiàn)出獨特的生物特性,如抗炎和免疫調(diào)節(jié)活性。這些樹狀大分子在發(fā)揮內(nèi)在生物活性的同時,還能抑制異常蛋白質(zhì)聚集,因而在治療神經(jīng)退行性疾病方面具有雙重潛力。與此同時,纖連蛋白(FN)通過抑制核因子卡巴-B(NF-κB)信號通路、減少促炎因子的表達以及促進巨噬細(xì)胞向M2表型轉(zhuǎn)化,表現(xiàn)出顯著的抗炎和抗氧化特性。FN在治療神經(jīng)退行性疾病方面大有可為,特別是由于其Arg-Gly-Asp(RGD)序列可促進其靶向小膠質(zhì)細(xì)胞表面整合素,增強其調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激的能力。在近期的工作中,團隊構(gòu)建了亞磷酸鈉或羥基封端的含磷樹狀大分子/FN納米藥物,通過結(jié)合樹狀大分子自身的抗炎活性以及FN的抗炎抗氧化活性協(xié)同緩解巨噬細(xì)胞或小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激,促進M2分型,降低炎癥反應(yīng),成功用于急性肺損傷/痛風(fēng)、缺血性腦卒中和帕金森病的抗炎/抗氧化治療(ACS Nano 2024, 18, 2195-2209; Adv. Healthcare Mater. 2024, 13, 2401462; Bioact. Mater. 2024, 38, 45-54)。


  基于此,東華大學(xué)史向陽教授團隊與法國國家科學(xué)研究中心Jean-Pierre Majoral院士團隊合作構(gòu)建了自身具有生物活性的羥基化的含磷樹枝狀大分子負(fù)載FN和Rap的納米復(fù)合物(R@A/F NCs),旨在利用綜合抗炎、抗氧化和自噬增強特性來高效治療AD(圖1)。第一代羥基端含磷樹狀大分子(AK76)通過靜電作用、氫鍵作用、陽離子-π作用和疏水作用與FN復(fù)合,并通過疏水作用進一步負(fù)載Rap。形成的R@A/F NCs具有良好的穩(wěn)定性、細(xì)胞相容性和靶向性能。R@A/F NCs能在體外通過降低ROS水平、恢復(fù)線粒體膜電位(MMP)、增強自噬、促進小膠質(zhì)細(xì)胞M2極化和抑制炎性細(xì)胞因子分泌等方式協(xié)同調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞。在樹狀大分子末端羥基的幫助下,R@A/F NCs可以穿過BBB,并通過減輕腦部炎癥、刺激自噬和促進Aβ蛋白降解來修復(fù)AD小鼠模型的認(rèn)知和記憶損傷。


圖1. R@A/F NCs的合成及其用于AD的聯(lián)合治療示意圖。


  研究團隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)AK76/FN的質(zhì)量比為2時,形成的納米復(fù)合物(NCs)具有最佳的水動力學(xué)直徑和較小的多分散指數(shù)(PDI,圖2A),所形成的NCs都顯示負(fù)的表面電位,這是由于FN的負(fù)電荷在與AK76復(fù)配后保持不變(圖2B)。制備的A/F NCs與R@A/F NCs呈現(xiàn)球形,在負(fù)載Rap后,尺寸由144.4 nm增加到187.3 nm(圖2C-D)。細(xì)胞毒性實驗結(jié)果表明R@A/F NCs對BV2細(xì)胞和SH-SY5Y細(xì)胞具有良好的細(xì)胞相容性(圖2E)。用R@A/F-Cy5.5 NCs處理的BV2細(xì)胞內(nèi)的熒光強度遠高于用游離FN-Cy5.5處理組(圖2F-G)。細(xì)胞吞噬機制探究結(jié)果表明,大多數(shù)R@A/F NCs能通過網(wǎng)格蛋白依賴和巨胞飲介導(dǎo)的途徑被BV2細(xì)胞有效吸收,同時依賴于RGD介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑。


圖2. (A)不同AK76/FN質(zhì)量比(1、2、4、6、8或10)下AK76、游離FN或A/F NCs的水動力學(xué)直徑和PDI以及(B)zeta電位。(C)AK76/FN質(zhì)量比為2時R@A/F NCs的TEM圖像和(D)尺寸分布直方圖。(E)SH-SY5Y和BV2細(xì)胞經(jīng)不同濃度AK76的R@A/F處理后的活力。(F)用PBS、游離FN-Cy5.5或A/F-Cy5.5 NCs處理BV2細(xì)胞后的相對熒光強度。(G)CLSM觀察用FN-Cy5.5或R@A/F-Cy5.5 NCs培養(yǎng)8小時后BV2細(xì)胞內(nèi)的熒光。(H)用多種抑制劑預(yù)處理后再用R@A/F-Cy5.5 NCs培養(yǎng)2小時的BV2細(xì)胞的流式細(xì)胞術(shù)直方圖。


  研究團隊通過WB測試發(fā)現(xiàn)R@A/F NCs的處理能夠明顯降低Aβ挑戰(zhàn)的BV2細(xì)胞中P62蛋白(主要負(fù)責(zé)標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)受損的蛋白質(zhì)以通過自噬體降解)表達量,上調(diào)ATG5蛋白(自噬體形成和成熟的關(guān)鍵蛋白)的表達,表明有效促進線粒體自噬(圖3A-B)。通過CLSM觀察到R@A/F NCs的處理使得激活的BV2細(xì)胞的MMP恢復(fù)正常,促進線粒體平衡(圖3C)。同時,R@A/F NCs通過降低細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生以緩解氧化應(yīng)激(圖3D-E)。聯(lián)合AK76的抗炎活性和FN的抗炎/抗氧化活性,R@A/F NCs促進小膠質(zhì)細(xì)胞M2極化,顯著降低促炎細(xì)胞因子包括TNF-α、IL-1β和IL-6的分泌(圖3F-I)。通過量化免疫染色結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)R@A/F NCs處理導(dǎo)致Aβ挑戰(zhàn)的BV2細(xì)胞中p-p65表達顯著下調(diào),表明R@A/F NCs能夠有效抑制NF-κB通路的激活,增強其抗炎功效(圖3J)。


圖3.(A)WB檢測分析不同處理后Aβ處理的BV2細(xì)胞中P62和ATG5的蛋白表達水平。(B)P62蛋白相對表達量的定量分析。(C)CLSM檢測不同材料處理的Aβ挑戰(zhàn)的BV2細(xì)胞中MMP變化。(D)CLSM觀察不同處理后Aβ挑戰(zhàn)的BV2細(xì)胞中ROS的表達。(E)不同處理后Aβ挑戰(zhàn)的BV2細(xì)胞中ROS表達的平均熒光強度。(F)通過流式細(xì)胞術(shù)評估不同處理后Aβ挑戰(zhàn)的BV2細(xì)胞中CD86和CD206的表達水平。ELISA分析BV2細(xì)胞中(G)TNF-α、(H)IL-1β和(I)IL-6的分泌水平。(J)通過CLSM觀察分析不同處理后Aβ挑戰(zhàn)的BV2細(xì)胞中p-p65的相對表達水平。


  研究團隊發(fā)現(xiàn)與FN-Cy5.5組相比,R@A/F-Cy5.5 NCs組在AD小鼠腦部的熒光信號明顯增加,并在注射后6小時達到峰值。這表明,R@A/F NCs成功穿透BBB并在大腦中蓄積,這可能是由于AK76含磷樹狀大分子表面的羥基引起的。在靜脈注射后6小時,肝臟和腎臟區(qū)域的熒光強度升高表明R@A/F-Cy5.5 NCs和FN-Cy5.5可通過網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)被有效清除,凸顯了R@A/F NCs卓越的腦靶向和清除特性(圖4)。


圖4. (A)小鼠活體成像照片和(B)尾靜脈注射R@A/F-Cy5.5和FN-Cy5.5后0、0.5、1、2、4和6 h腦區(qū)的熒光值。(C)注射R@A/F-Cy5.5或FN-Cy5.5后6小時小鼠離體器官熒光成像照片和(D)主要器官(包括肺、心、肝、腎、脾和腦)的熒光值。


  由于NCs具有顯著的氧化應(yīng)激緩解作用、抗炎特性、BBB通透性和精確靶向能力,研究團隊進一步通過新物體識別(NOR)測試、Y迷宮測試和莫里斯水迷宮(MWM)測試以評價R@A/F NCs的體內(nèi)療效(圖5A)。在NOR測試中,R@A/F NCs處理后,識別指數(shù)最高,能夠明顯恢復(fù)AD小鼠對新奇事物的探索興趣,改善小鼠的認(rèn)知功能(圖5B-C)。Y迷宮測試結(jié)果顯示R@A/F NCs治療的AD小鼠在新臂上探索的時間顯著增加,表明R@A/F NCs能夠緩解記憶缺陷。MWM測試結(jié)果表明,R@A/F NCs組的AD小鼠在目標(biāo)象限內(nèi)的游泳時間顯著增加,逃逸潛伏期在除正常組以外的所有治療組中最短,穿越平臺的次數(shù)增加,反映出R@A/F NCs治療后小鼠的記憶和學(xué)習(xí)能力明顯提高(圖5D-G)。


圖5. (A)AD小鼠的治療和測試安排。(B)不同組別AD小鼠在NOR測試中的代表路徑。(C)根據(jù)(B)計算的識別指數(shù)量化。(D)不同組別小鼠在MWM測試中的游泳軌跡。紅點表示起點,黑點表示終點。(E)不同組小鼠在目標(biāo)象限內(nèi)的時間、(F)逃逸潛伏期和(G)穿越平臺的次數(shù)。


  研究團隊進一步研究了R@A/F NCs治療的潛在機制。體內(nèi)結(jié)果顯示,R@A/F NCs可有效降低腦內(nèi)Aβ的積聚以及電離鈣結(jié)合適配分子-1(IBA-1)和膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)等活化標(biāo)志物的表達,表明大腦中的炎癥狀態(tài)得到有效緩解。R@A/F NCs處理后,腦內(nèi)ROS水平下降最為明顯,表明納米藥物中的各種成分具有協(xié)同作用,可通過Rap誘導(dǎo)自噬,并通過Rap和FN消除ROS。WB結(jié)果表明,R@A/F組處理后腦內(nèi)mTOR表達水平最低,同時ATG5蛋白增加最多,自噬底物P62減少最明顯。CD206和CD86的免疫熒光分析進一步顯示,R@A/F NCs處理導(dǎo)致小鼠腦內(nèi)CD86水平顯著降低,CD206表達明顯升高,表明腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞的有效M2再極化。此外,經(jīng)R@A/F NCs治療的小鼠腦部海馬細(xì)胞出現(xiàn)了良好的組織結(jié)構(gòu),神經(jīng)元數(shù)量明顯恢復(fù),與健康小鼠相當(dāng)(圖6)。


圖6.(A)不同組小鼠腦部Aβ、IBA-1/GFAP和ROS的免疫熒光圖像。(B)Aβ、(C)GFAP和(D)IBA-1在不同組中的相對表達量。(E)mTOR、ATG5和P62的WB表達分析。(F)不同處理后小鼠腦部CD86/CD206的免疫熒光染色。(G)不同組海馬區(qū)的H&E染色和神經(jīng)元的Nissl染色。


  簡而言之,該研究設(shè)計的納米藥物具有以下優(yōu)勢:(1)以含磷樹狀大分子為基礎(chǔ)的遞送系統(tǒng)顯著提高了FN和Rap的生物利用度,同時末端羥基賦予NCs穿透受損BBB的能力,通過FN介導(dǎo)靶向過表達α4β1整合素的小膠質(zhì)細(xì)胞,促進納米藥物靶向遞送至AD病變部位;(2)R@A/F NCs可協(xié)同AK76、FN和Rap的抗炎和抗氧化作用,促進氧化應(yīng)激緩解、線粒體功能恢復(fù)、自噬增強和誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞M2極化,從而協(xié)同抑制Aβ的聚集并改善AD認(rèn)知缺陷。所開發(fā)的納米藥物結(jié)合了生物活性含磷樹狀大分子和多組分藥物治療AD的優(yōu)勢,有望用于不同神經(jīng)退行性疾病的免疫調(diào)節(jié)治療。


  以上研究成果以“Codelivery of Fibronectin and Rapamycin via Bioactive Phosphorus Dendrimers to Ameliorate Alzheimer’s Disease through Macrophage Autophagy, Oxidative Stress Alleviation and Polarization Modulation”為題,在線發(fā)表于國際著名期刊Nano Today(DOI: 10.1016/j.nantod.2025.102664)。東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院史向陽教授為通訊作者,東華大學(xué)博士生詹夢偲和碩士生戴外從為共同第一作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委等項目及中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金的資助。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nantod.2025.102664

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