产品名称：
基于内嵌金属富勒烯的新型Aβ抑制剂理性设计
发布日期：
2024-06-12 17:51
素有“脑海中的橡皮擦”之称的阿尔茨海默症（Alzheimer's disease，AD）是一种起病隐匿的复杂多因素神经退行性疾病。在分子水平上，基因易感性、环境等因素导致淀粉样前体蛋白加工产生的β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积被认为是AD的主要病理特征之一。近年来，Aβ级联假说不断被验证和深化。其中，Aβ寡聚体作为 “导火索”引起神经系统炎症以及毒性的关键作用在药物研发中越来越受到重视。然而，由于Aβ多肽属于固有无序蛋白，缺乏明确的药物靶点，因此研发靶向Aβ的药物极具挑战。目前仅有一种名为仑卡奈单抗的靶向Aβ的抗体药物成功上市，但因生物制剂半衰期短、价格昂贵等因素此类药物候选极度匮乏。
近日，浙江大学定量生物中心周如鸿教授、苏州大学材化学部谌宁教授以及苏州大学医学院放射医学及交叉学科研究院杨再兴副教授共同在ACS Nano上发表题为“Rational Design of Dual-Functionalized Gd@C82 Nanoparticles to Relieve Neuronal Cytotoxicity in Alzheimer's Disease via Inhibition of Aβ Aggregation”的研究成果。他们针对Aβ聚集的驱动力和Aβ淀粉样纤维的空间结构，理性设计并成功制备了一种多功能纳米抑制剂，f-Gd@C82，不仅可高效地重定向Aβ肽自组装，抑制原纤维的早期生长，还可分解寡聚体以及高度有序的原纤维甚至成熟的Aβ纤维（图1），由此有效缓解Aβ的神经元毒性。
浙江大学定量生物中心长期致力于研究Aβ多肽聚集动力学行为及其分子机制，前期研究发现Aβ多肽侧链间静电相互作用，范德华，疏水相互作用共同驱动肽链的初始聚合。成熟的Aβ淀粉样纤维是由多层呈交叉β-脊形态的β-片层形成，相邻β-片层的内部侧链呈“拉链状”高度交叉齿合，形成干化的疏水界面。这种高度有序和紧凑堆积的结构使得成熟Aβ淀粉样纤维具有极高的热力学稳定性。Aβ淀粉样纤维的基本微观物理化学结构为理性设计预防或治疗AD药物提供了重要启发，例如引入尽可能多的无序的相互作用（混乱）来阻断早期Aβ聚集过程的有序化或分解预形成的高度有序的原纤维甚至成熟原纤维。在本研究中作者选择了一种内嵌的金属富勒烯（Gd@C82）作为功能化设计的框架，原因如下：首先，金属内嵌结构具有较高的结构稳定性和可修饰性。其次，高的比表面积使其可被大量官能团修饰。此外，相对刚性、球形结构使其具有天然的位阻效应，可防止肽的紧密结合。Gd@C82类似物的生物相容性也已经过抗肿瘤治疗等多种生物医学场景的评估。
前期研究表明，疏水性药物分子可通过与肽链疏水片段的疏水相互作用抑制Aβ肽链聚集，破坏成熟淀粉样纤维结构，但分散性差、生物利用度低，毒理学效应复杂。因此，在本研究中，研究人员在Gd@C82表面引入了大量无序分布的氢键结合位点和带电基团（图1）。这些设计使功能化的Gd@C82纳米颗粒（f-Gd@C82 NPs）具有更好的水溶性、分散性及更高的生物相容性。同时，引入的不饱和氢键位点可与肽链主链形成无序的氢键网络来对抗Aβ肽链主链间形成有序的氢键网络。设计合成的f-Gd@C82 NPs约为5 nm。多项分子生物学实验证实f-Gd@C82 NPs可高效抑制Aβ1-42肽链聚集成高度有序的β片层结构，转而诱导其形成无序结构。更重要的是，它还可有效分解原纤维（图2），将高度有序的原纤维分解为呈散点状分布的、无序的、神经低毒性低聚物。
图1. f-Gd@C82 NPs分子及其模型
研究人员进一步利用全原子分子动力学（MD）模拟探究了f-Gd@C82 NPs抑制Aβ聚集的分子机制。结果显示，在没有f-Gd@C82 NPs的情况下，即使两个Aβ1-42肽（二聚体）也可迅速自组装成包含β-折叠的结构。当加入f-Gd@C82 NPs后，β-折叠的形成显著受抑制。f-Gd@C82 NPs可与Aβ肽链上所有可及的氢键结合位点形成高度稳定的无序氢键网络，竞争性抑制肽链自身形成连续且有序的氢键网络，具有强大的抑制效果。同时，静电相互作用和空间效位阻也协同抑制了Aβ1-42肽的聚集。f-Gd@C82 NPs通过与Aβ1–42原纤维带电残基的特异性结合迅速吸附到其表面，与原纤维的侧链和主链形成氢键网络。这种特异性结合阻碍了原纤维的生长。此外，f-Gd@C82 NPs还会攻击Aβ1–42原纤维的N端，扰乱本来由Ala2–Phe4–Leu34–Val36形成的疏水核心，导致N端纤维的错位和打开。
f-Gd@C82 NPs可将肽自组装重定向到无序、非毒性途径的聚集体，阻碍原纤维的早期生长，分解低聚物和原纤维，在此基础上，作者们进一步研究f-Gd@C82 NPs是否可有效干预Aβ1-42诱导AD病理。可溶性有序Aβ1–42寡聚物（oAβ1-42）对神经元毒性最强，因此作者们检测了f-Gd@C82 NP产生的oAβ1-42的神经毒性。在oAβ1-42诱导神经元毒性模型中，f-Gd@C82 NPs可大幅降低oAβ1-42诱导的神经元死亡和突触损伤等。
值得注意的是，f-Gd@C82 NP克服了基于GO的纳米片和g-C3N4等其他多功能纳米抑制剂的局限性。例如，GO纳米片的高度疏水性有利于抑制肽聚集、分解成熟原纤维，但可导致水分散性差、急性细胞膜毒性等。此外，近红外光束无法到达脑深部组织，依靠近红外触发的GO纳米片和g-C3N4表面成熟原纤维的分解可能会受阻。脑部高温可能会给患者带来一定的风险。本研究所设计开发的亲水性f-Gd@C82 NPs通过最大限度地引入紊乱来抵消Aβ聚集的有序化，减轻AD中的神经元细胞毒性，无需依赖任何外部刺激。该思路或可为设计基于抗聚集的AD管理策略提供新方向。
该工作是神经生物学、纳米医学和计算生物学多学科领域交叉融合的研究成果，得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学上海高等研究院繁星科学基金等资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c08823
